磁性无机粘土/聚苯胺复合材料的制备及吸波性能研究

摘要

随着信息化社会的发展和电子设备在民用和军用领域的广泛应用，电磁污染问题日益严重。利用吸波材料衰减电磁波是净化电磁环境的一种有效方法。由于单一的材料难以同时满足密度小、厚度薄、频带宽和吸收强的要求，因而将导电聚合物与无机纳米材料进行复合成为吸波领域的研究热点之一。基于材料结构对吸波性能的影响，本文分别将凹凸棒(ATP)、埃洛石纳米管(HNTs)、和蒙脱土(MMT)三种不同形貌的无机粘土与聚苯胺(PANI)和 Fe3O4进行复合，制备出磁性无机粘土/聚苯胺复合材料。利用透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观形貌和组分进行表征，利用矢量网络分析仪(VNA)对复合材料的电磁参数进行测试，并研究了其吸波性能，主要内容及结论简述如下： (1) 利用共沉淀法制备出 Fe3O4 纳米颗粒，再通过一步原位聚合法制备出具有电磁性能的ATP/PANI/Fe3O4复合材料。通过改变苯胺单体的加入量来调节电磁参数，研究不同成分比例对ATP/PANI/Fe3O4复合材料吸波性能的影响。结果表明：ATP/PANI/Fe3O4复合材料对电磁波的损耗主要以介电损耗为主，苯胺的用量对介电损耗的影响较大。当苯胺单体与ATP的质量比为3:2，该材料在频率为6.32 GHz、匹配厚度为5.0mm处，最小反射损耗达到-22.2 dB，小于-10 dB的频宽为2.32 GHz (5.36~7.68 GHz)。当厚度为2.5 mm时，在Ku波段小于-10dB的频宽可达4.16GHz (12.16~16.32 GHz)，使得该复合材料在吸波领域具有潜在的应用价值。 (2) 将苯胺原位聚合包覆在HNTs表面，再通过共沉淀法负载 Fe3O4，成功制备出了HNTs/PANI/Fe3O4复合吸波材料。最后用HCl对其进行二次掺杂，研究了不同掺杂浓度对该复合材料吸波性能的影响规律。HNTs/PANI/Fe3O4 复合材料经过HCl掺杂后，吸波性能明显提高。当掺杂的浓度为0.50 M时，材料的吸波性能最佳，其最小反射损耗在频率7.04 GHz处达到-45.3 dB，对应的匹配厚度为4.0 mm，小于-10 dB的频宽为2.4 GHz (5.92~8.32GHz)；当匹配厚度为2.0 mm时，吸收频宽可以达到4.32 GHz (13.12~17.44)。说明调节盐酸的掺杂浓度，可改变电磁参数，能使HNTs/PANI/Fe3O4复合材料得到最佳的吸波性能。 (3) 以 MMT 为基体，采用原位聚合法得到 MMT/PANI复合材料，再通过机械共混法吸附 Fe3O4纳米颗粒，最终成功制备出 MMT/PANI/Fe3O4复合材料，并研究了MMT与苯胺的不同质量比对吸波性能的影响规律。吸波性能的结果表明：随着匹配厚度的增加，反射损耗峰朝着频率低的方向移动。当 MMT 与苯胺的质量比为2：3，匹配厚度为4.5 mm时，最小反射损耗在频率为6.48 GHz处可以达到-43.2 dB，且反射损耗小于-10 dB频带宽为2.24 GHz (5.36~7.6 GHz)。此外，自然共振、涡流损耗、界面弛豫过程以及干涉相消原理都是影响 MMT/PANI/Fe3O4复合材料吸波性能的因素。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 吸波材料

1.3 聚苯胺

1.4 磁性Fe3O4纳米材料

1.5 无机粘土矿物

1.6 本论文的研究目的和研究内容

第2章 ATP/PANI/Fe3O4复合材料的制备及吸波性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 HNTs/PANI/Fe3O4复合材料的制备及吸波性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 MMT/PANI/Fe3O4复合材料的制备及吸波性能的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间所发表的学术论文）