CB-CIP@SiO<sub>2</sub>-GF/PA6复合材料的制备及其宽带微波吸收和力学性能

胡婉欣; 尹洪峰; 任小虎; 汤云; 魏英; 袁蝴蝶

CB-CIP@SiO₂-GF/PA6复合材料的制备及其宽带微波吸收和力学性能

西安建筑科技大学　材料科学与工程学院, 西安 710055

详细信息

通讯作者:
尹洪峰，博士，教授，博士生导师，研究方向为结构功能一体化复合材料　E-mail: yinhongfeng@xauat.edu.cn

中图分类号: TB333
计量
- 文章访问数: 132
- HTML全文浏览量: 66
- PDF下载量: 4
出版历程
- 收稿日期: 2024-07-02
- 修回日期: 2024-07-25
- 录用日期: 2024-08-02
- 网络出版日期: 2024-08-26
- 刊出日期: 2025-06-14

Broadband microwave absorption and mechanical properties of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composites

College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China

摘要

摘要:
本工作以拓宽结构型吸波复合材料的吸收频带为目的，在玻璃纤维增强尼龙复合材料中同时引入磁损耗型吸波剂羰基铁粉(carbonyl iron powder, CIP)和电阻损耗型吸波剂炭黑(Carbon black, CB)，采用热压成型工艺制备了CB-CIP@SiO₂/玻璃纤维/尼龙6(CB-CIP@SiO₂-GF/PA6)吸波复合材料。重点研究了CIP表面包覆SiO₂薄膜及其加入量对复合材料微波吸收和力学性能的影响。研究结果表明：SiO₂薄膜包覆不仅解决了CIP氧化问题，同时改善了复合材料的阻抗匹配特性，使得CIP与CB协同提升了复合材料的吸波性能。在保障复合材料具有良好吸波性能前提下，CIP的负载量从70 wt.%降低至30 wt.%左右，大大减轻了复合材料的质量。其中，掺量为1 wt.%CB和30 wt.%CIP@SiO₂的吸波复合材料的有效吸收带宽在材料厚度为1.91-1.95 mm时超过了5.6 GHz，且覆盖了整个Ku波段。这种方法一方面拓宽了吸波复合材料的有效吸收带宽，实现了宽带吸波。另一方面，CIP@SiO₂颗粒与GF的纤维实现共同增强，提升了复合材料的整体力学性能。当CIP@SiO₂的含量为40 wt.%时，复合材料的力学性能最佳，弯曲强度为212.8±9.8 MPa，剪切强度为21.0±1.4 MPa，摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m²。
- 吸波材料 /
- 玻璃纤维 /
- 炭黑 /
- 羰基铁粉 /
- 力学性能
Abstract:
With the aim of broadening the absorption band of structural microwave absorbing composites, a magnetic loss absorber carbonyl iron powder (CIP) and the resistive loss absorber carbon black (CB) were simultaneously introduced into glass fiber reinforced polyamide 6 composites, and CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composites were prepared by the hot press molding process. Focusing on the effect of CIP surface coated SiO₂ film and its incorporation on the microwave absorption and mechanical properties of composites. The results show that SiO₂ coating not only prevents the oxidation of CIP, but also improves the impedance matching of the composites, so that CIP and CB synergistically enhance the microwave absorbing properties of the composites. Under the premise of guaranteeing good microwave absorbing properties, the loading of CIP is reduced from 70 wt.% to about 30 wt.%, which greatly lightens the mass of the composites. The effective absorption bandwidth of the composites with 1 wt.% CB and 30 wt.% CIP@SiO₂ exceeds 5.6 GHz at a thickness of 1.91-1.95 mm and covers the entire Ku-band. On the one hand, this method broadens the effective absorption bandwidth of the composites and realizes broadband absorption. On the other hand, the particle reinforcement of CIP@SiO₂ has a co-enhancing effect with GF. When the content of CIP@SiO₂ was 40 wt.%, the mechanical properties of the composites were optimal, with a flexural strength of 212.8±9.8 MPa, a shearing strength of 21.0±1.4 MPa, and a pendulum impact strength of 64.4±6.2 kJ/m².
- Microwave absorbing material /
- glass fiber /
- carbon black /
- carbonyl iron powder /
- mechanical properties

HTML全文

细菌、霉菌感染在竹材领域一直是具有挑战性的问题，每年竹材因霉变所引起的损失约占全世界竹产量的10%^[1]，这造成了大量经济损失和竹材资源的浪费。竹材因其原料本身富含糖类、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物质，容易感染细菌和霉菌，使竹制品产生霉变，导致使用寿命减少^[2]。而制成竹制品的表面附着的细菌则会使人体产生呼吸道和肠胃方面等疾病^[3]。防霉抗菌剂能有效解决这些问题。目前竹材防霉抗菌剂大致可以分为传统防霉抗菌剂和新型防霉抗菌剂两类^[4]，传统的防霉抗菌剂已被广泛用于预防微生物感染，但存在污染环境、危害身体健康等缺陷，如溴甲烷虽然具有短时灭菌效果，但对人畜的身体都有害，属于三类致癌物。新型防霉抗菌剂具有安全高效的优点，同时应满足环境友好的要求^[5]。因此，进行新型防霉抗菌剂的研究对于竹产业的发展和竹制品的应用具有重要意义。

植物精油的有效成分可作为一种安全无毒的防霉抗菌剂^[6]。芳樟醇(Linalool，简称LNL)，是芳樟精油的有效成分，其具有产量大、安全、对环境友好的特点，2019年全球生产市场价值99.8亿美元，预计2024年将达到123亿美元^[7]。LNL在药品、香水和清洁剂等产品应用广泛^[8]，Anand Prakash^[9]等人将LNL通过吐温80和超声辅助乳化，制得两倍增强的抗鼠伤寒沙门氏菌的抗菌活性的芳樟醇纳米乳液。在制药工业中，它被用作合成维生素E的前体^[10]。然而，LNL在实际应用中稳定性受温度影响较大，特别是在高温环境下容易挥发^[11]。

近年来，纳米药物载体因其保护活性物质的功能逐渐受到研究者的关注，Ambrose E ^[12]等人将茶树精油 (TTO)、柠檬精油(LEO)混合物负载到碳纳米管上，利用碳纳米管独特的结构特点负载药物达到稳定的效果。将LNL封装在纳米载体中，可以起到保护活性功效成分的作用，从而扩展LNL在各领域的应用。埃洛石纳米管(Halloysite Nanotubes，简称HNTs)化学组成为Al₂Si₂O₅(OH)₄·nH₂O，管长多为500~1500 nm，内外径分别在12~15 nm与50~70 nm之间，内层为Al-OH原子团，外层为Si-OH和Si-O-Si原子团^[13]，因其生物相容性、无毒性、生态友好性，价格实惠等优点^[14]和与碳纳米管类似的中空结构，能与多种材料结合，具有广阔的应用前景。靳肖贝等^[15]发现HNTs能提高IPBC的稳定性，IPBC-HNTs经过紫外照射处理后，依然具有较为优秀的抗菌能力。Cui R等^[16]将肉桂醛负载在HNTs中，此包合物有良好的防霉抗菌能力，而且通过HNTs载体的作用，更好地保持了肉桂醛的活性，延长肉桂醛从控释体系释放的时间。吕佳帅男等^[17]将HNTs与2-羧乙基苯基次磷酸复配并用于环氧树脂阻燃改性，降低其热分解速率。本文选择LNL作为防霉抗菌剂，用廉价、天然的HNTs作为载体，通过盐酸处理得到酸化刻蚀的埃洛石(AC-HNTs)，采用一种便捷、高效的真空负压法^[18]，实现芳樟醇在酸化埃洛石纳米管中的负载，得到一种新型防霉抗菌剂芳樟醇-酸化埃洛石纳米管(简称L-AC-HNTs)，研究L-AC-HNTs防霉抗菌剂对竹材制品中几种常见霉菌(黑曲霉、桔青霉)和细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)的抗菌能力以及LNL在高温下稳定性的提升，以及酸化刻蚀对埃洛石的影响。

1. 实验材料及方法

1.1 实验材料

埃洛石纳米管(纯度98％，购自远鑫纳米科技有限公司)；芳樟醇(纯度98%，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；无水乙醇(分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司)；PBS磷酸盐缓冲液(细胞培养级，购自天津市众联化学试剂有限公司)；大肠杆菌CMCC(B)44102菌株(购自上海鲁微科技有限公司)；金色葡萄球菌CMCC(B)26003菌株(购自上海鲁微科技有限公司)；黑曲霉CMCC(B)98003菌株(购自上海鲁微科技有限公司)；桔青霉ATCC1109菌株(购自上海鲁微科技有限公司；营养肉汤培养基(购自青岛海博生物技术有限公司)；马铃薯葡萄糖营养琼脂培养基(购自青岛海博生物技术有限公司)

1.2 L-AC-HNTs的制备

将1 g HNTs与10 mL (3 mol/L)的盐酸溶液混合，在60℃下磁力搅拌12 h并放置真空环境中30 min。反应结束后将混合物以6000 r/min离心作用5 min，收集沉淀并用去离子水洗涤至中性，得到AC-HNTs。采用真空负压法负载LNL。将AC-HNTs与LNL以0.1 g/mL (1∶10)的比例混合后，使用细胞粉碎机(宁波新芝)冰浴超声处理30 min，处理后放入真空干燥箱(上海一恒)中，在0.1 MPa的真空条件下保压30 min使LNL充分进入埃洛石纳米管中，过程重复3次。将混合溶液离心，用无水乙醇洗涤AC-HNTs表面的LNL，收集沉淀，在40℃下放置12 h后研磨，得到L-AC-HNTs防霉抗菌剂，其流程如图1所示。

图 1 芳樟醇-酸化埃洛石纳米管(L-AC-HNTs)防霉抗菌剂制备流程

Figure 1. linalool acidified halloysite nanotubes (L-AC-HNTs) antibacterial and antifungal agent preparation process

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.3 实验方案

LNL负载量实验：采用MAPADA紫外分光光度计(上海美谱达)测量一定浓度梯度的LNL在204 nm处乙醇标准液的紫外光吸光度值，以纯LNL-乙醇溶液的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制LNL的浓度标准曲线。分别取不同比例的LNL负载于AC-HNTs中，将0.1 g样品加入10 mL无水乙醇中超声破碎30 min，6000 r/min下离心10 min，取上清液并稀释至25 mL，通过标准曲线方程计算酸化前后HNTs对LNL的负载量以及相同质量下的AC-HNTs对不同体积LNL的负载量并进行对比，如图2所示。得到的标准曲线方程如下式：

$\mathit{Y=15.111X＋0.0064\text{，}(R} ^{ \mathit{2} } \mathit{=0.9983)} (1)$

(1)

式中：Y—吸光度；X—LNL的浓度(%)。

抑菌实验：参考GB/T 21510-2008^[19]，分别取出二代黑曲霉、桔青霉、大肠杆菌和金色葡萄球菌菌种，用PBS缓冲液将菌种洗下，并稀释至10⁴ CFU/mL-10⁵ CFU/mL，分别将0.05 g (0.5%W/V)、0.1 g (1%W/V)、0.15 g (1.5%W/V)的L-AC-HNTs放入10 mL稀释完成的菌液中，将混合菌液使用涡旋震荡器(浙江Lab Fish)震荡均匀，并设置未添加L-AC-HNTs的对照组，分别将制备好的霉菌菌液和细菌菌液置于28℃和37℃的生化培养箱(上海一恒)中，培养24 h后各取0.1 mL菌液均匀涂布于培养基，将平板倒置于培养箱中培养7 d后取出观察，根据标准计算抑菌率，以此判断抑菌效果。

缓释性实验：将1 g的纯LNL和L-AC-HNTs放入样品瓶中，置于50℃的恒温环境，每24 h测试纯LNL的质量损失和L-AC-HNTs负载量的变化，并以此计算LNL的保留率并进行对比。

图 2 HNTs负载芳樟醇(LNL)标准曲线

Figure 2. Standard curve of HNTs loaded with linalool (LNL)

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.4 测试与表征

使用VERTEX 70 (德国布鲁克)傅立叶变换红外光谱仪测试防霉抗菌剂的特征峰；SU 8010 (日本JEOL公司)场发射扫描电镜和Tecnai G220 (美国FEI公司)场发射透射电镜观察HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs的微观形貌特征；STA449 F1(德国Netzsch公司)同步热分析仪分析负载前后LNL的的热稳定性；ASAP2020(美国Micromeritics)全自动气体吸附分析仪检测酸化及负载前后材料的孔径分布和结构；ULtima IV(日本理学株式会社)X射线衍射仪分析晶体结构特征；Thermo Scientific K-Alpha (美国)X射线光电子能谱仪分析元素含量。

2. 结果与讨论

2.1 L-AC-HNTs防霉抗菌剂的防霉抗菌性能

图3(a)、(b)、(c)、(d)分别是L-AC-HNTs对竹制品中常见的两种霉菌(黑曲霉、桔青霉)和代表性的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)的抑菌效果图。如图所示，取以上四种菌液各10 mL，培养7 d后，未添加L-AC-HNTs的4组对照组的表面均布满菌落，随着L-AC-HNTs添加量增加，培养基表面菌落数量逐渐减少。图3(a)、(b)中，添加1.5%(W/V)L-AC-HNTs后，根据标准中的抑菌率公式计算得到黑曲霉和桔青霉的抑菌率分别为100%和98%，而通过图3(c)、(d)中的菌落数可以计算出1.5%(W/V)的L-AC-HNTs对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达100%，7 d中观察菌落没有明显的增长，L-AC-HNTs对细菌霉菌的抑菌率保持不变，这表明L-AC-HNTs具有普适且长效的抑菌性。0.5%(W/V)L-AC-HNTs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率也达到100%，而对桔青霉的抑菌率为79.2%，说明少量的L-AC-HNTs对霉菌和细菌也具有较强的抑制效果。L-AC-HNTs的抑菌机制是由于LNL从AC-HNTs的管腔中缓慢释放，首先作用于细胞膜，通过降低膜电位(MP)导致细胞膜被破坏，影响ATP生成，导致细胞代谢异常，引起大分子(DNA、RNA和蛋白质)的细胞内泄漏，从而对其功能造成损害^[20]。此外，LNL导致细胞线粒体功能障碍和DNA损伤，并诱导自噬^[21]，以此实现L-AC-HNTs的长效抗菌。

图 3 不同添加量L-AC-HNTs 对(a)Aspergillus Niger；(b) Penicillium citrinsis；(c)Colibacillus；(d)Staphylococcus Aureus的防霉抗菌效果

Figure 3. Antibacterial and antifungal effects of different levels of L-AC-HNTs on (a) Aspergillus Niger; (b) Penicillium citrinsis; (c) Escherichia coli; (d) Staphylococcus Aureus

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 L-AC-HNTs热稳定性与缓释性

图4(a)、(b)为HNTs、LNL和L-AC-HNTs的热失重曲线图和微商热重曲线图。其中，L-AC-HNTs具有HNTs的失重特征，在400-600℃之间发生明显的质量损失，这是由于HNTs中羟基脱水导致的自身失重^[22]，其热分解速率在493.1℃时达到峰值，此时质量残余率为68.8%。LNL大量挥发主要发生在44.55℃-162.42℃^[23]，其热分解速率在189.4℃达到峰值，此温度下质量残余率为14.8%，在195.8℃下，质量残余率仅为1%，LNL几乎挥发殆尽。与LNL对比，L-AC-HNTs的热分解速率峰值温度为79.9℃，初始热分解温度下降，这是由于部分表面残余LNL的挥发以及结合水的析出，此温度下质量残余为96.4%，L-AC-HNTs在279.9℃存在一个热分解速率峰，残余质量为85.3%，对应的是LNL的热分解，这部分LNL负载至HNTs的孔道中，管壁对其有保护作用^[24]，这使得LNL的分解速率峰值温度延后了90.5℃。这是由于L-AC-HNTs有效的利用了AC-HNTs的管壁保护了LNL，避免其挥发过快，从而提高了LNL的热稳定性。

图 4 HNTs、L-AC-HNTs、LNL的(a)热重曲线；(b)微商热重曲线图；(c)LNL负载前后保留率

Figure 4. (a) Thermogravimetric profiles of HNTs, L-AC-HNTs, LNL; (b) Microcommercial thermogravimetric profiles; (c) Retention before and after LNL loading

下载: 全尺寸图片幻灯片

图4(c)为纯LNL和L-AC-HNTs在50℃下的保留率，在温度不变的条件下，随着时间的增加，LNL质量的损失速率加快，在72 h后保留率仅为8%，这是由于高温下小分子布朗运动加剧^[25]，导致LNL挥发加速，而L-AC-HNTs在HNTs管壁对LNL的保护下，保留率在72 h后为94.6%，相比于纯LNL的保留率，L-AC-HNTs具有明显的缓释性能，改善了LNL易挥发的缺陷。

2.3 HNTs、AC-HNTs和L-AC-HNTs的结构形貌

为了判断LNL是否成功负载于AC-HNTs中，对LNL、HNTs和L-AC-HNTs防霉剂进行FTIR分析，其红外光谱图如图5(a)、(b)所示。3693 cm⁻¹附近处的峰为HNTs管腔内表面Al—OH的伸缩振动，3627 cm⁻¹ 附近为HNTs的Si—OH基团中羟基的伸缩振动^[26,27]，酸化后这两处吸收峰减弱，内管壁Al—OH减少。1650 cm⁻¹处的吸收峰是HNTs表面吸附水的—OH基团的弯曲振动峰^[28]。在1110 cm⁻¹处的吸收峰是HNTs上Si—O—Si键的伸缩振动^[29]。负载LNL后，在2974 cm⁻¹，2921 cm⁻¹处可以观察到2个新的特征峰，分别代表LNL中C—H伸缩振动峰和C—H脂肪族伸缩振动峰，新峰出现表明LNL成功负载至HNTs中。1000 cm⁻¹ 处的C—O特征峰也是LNL的一个主要特征峰，该特征峰可作为判断LNL是否形成包合物的辅助参考^[30]，LNL负载至HNTs的管腔中，致使其分子振动被HNTs屏蔽。红外无法判断L-AC-HNTs内外部的具体结构，需要与其它表征结合说明HNTs酸化以及负载LNL前后的情况。

图 5 (a)LNL红外光谱图；(b)HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs红外光谱图

Figure 5. (a) Infrared spectra of LNL; (b) Infrared spectra of HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs

下载: 全尺寸图片幻灯片

图6是HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs的SEM(EDX)图。从图6(a)可以看出，HNTs呈现出典型的中空纳米管状结构，表面平滑，其结构与HNTs的相关文献基本一致^[31]，通过结合EDX分析可知HNTs主要由Si、Al、C和O元素组成，Si元素与Al元素含量之比接近1∶1，由图6(b)发现AC-HNTs的端部有酸化处理后刻蚀的痕迹，HNTs表面粗糙，结构变得较为蓬松，但仍保持管状结构^[32] ，Al元素的含量10.1%从下降至8.9%。这是因为外层氧硅四面体具有较高的稳定性，AC-HNTs保持了较为完好的管状结构^[33]，而HNTs边缘位点和缺陷处的铝氧层和内层铝氧八面体是酸化的主要目标位置，盐酸与HNTs中的铝酸盐发生反应，产生Al³⁺和无定型SiO₂^[34]。图6(c)显示L-AC-HNTs管孔存在阴影，且依然保持着AC-HNTs的粗糙结构，同时C元素含量由29.9%增加到了36.1%，这是由于LNL在AC-HNTs表面也有少部分残留，这些增加的C元素属于LNL^[35]，由于SEM测试无法检测其管腔内部情况，选择HRTEM(EDX)进一步观察。图7(b)为AC-HNTs的HRTEM和EDX图，与图7(a)相比，Al元素含量减少，而负载LNL后，由图7(c)可知C元素含量增加，这与其SEM的EDX结果一致，说明LNL能成功进入到AC-HNTs内部。对TEM的多晶衍射环进行计算，发现HNTs经过酸化和负载后，晶面层间距均为4.4 Å，对应(100)晶面，层间距未发生改变，说明酸化和负载并未破坏其晶体结构，AC-HNTs和L-AC-HNTs仍然具有良好的结晶性^[36]。

图 6 (a) HNTs；(b) AC-HNTs；(c) L-AC-HNTs的扫描电镜(能量色散X射线光谱)

Figure 6. SEM (EDX) images of (a) HNTs; (b) AC-HNTs; (c) L-AC-HNTs

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 (a) HNTs；(b) AC-HNTs；(c) L-AC-HNTs的高倍率透射电镜(能量色散X射线光谱)

Figure 7. TEM(EDX) images of (a) HNTs; (b) AC-HNTs; (c) L-AC-HNTs

下载: 全尺寸图片幻灯片

利用X-射线衍射观察HNTs、AC-HNTs和L-AC-HNTs的晶体结构特征，进而分析酸化改性后HNTs的变化。图8为HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs的XRD衍射图，从图中判断，HNTs在2θ=12.11°和2θ=20.07°附近存在高强度的衍射峰，HNTs 2θ=12.14°的晶面层间距d为7.3 Å，对应(001)晶面，2θ=20.28°的晶面层间距为4.4 Å，这与通过TEM多晶衍射环计算的结果一致，对应的是(100)晶面。经过3 mol/L盐酸酸化处理后的HNTs衍射峰的强度降低，在2θ=12.14°的结晶度从93.85%下降至93.51%，在2θ=20.07°的结晶度从95.01%下降至94.16%，d值未出现变化，表明AC-HNTs晶体结构是无序的^[37]，酸溶液与HNTs管腔内表面的Al-OH基团反应，造成HNTs管壁的结晶度的部分损失^[38]，在酸化刻蚀的过程中，HNTs管腔内表面的Al—OH基团与酸溶液的反应活性强于外表面的Si—O—Si基团，导致HNTs内部铝羟基含量减少，生成的Al³⁺扩散至腔体外，引起HNTs的晶体结构发生了破坏^[39]。L-AC-HNTs在2θ=12.14°和2θ=20.07°附近的结晶度和d值相对于AC-HNTs均未发现明显变化，无新的衍射峰出现以及峰偏移和峰强的减弱，这可以通过LNL的XRD图证明，纯LNL在20°左右有一个无定型宽峰，这种现象证明LNL是非晶体结构，意味着AC-HNTs的晶体结构在负载LNL后仍保持完整，说明LNL的负载对晶体结构没有影响^[40]。

图 8 LNL、HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs的X-射线衍射图

Figure 8. XRD patterns of LNL、HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs

下载: 全尺寸图片幻灯片

根据图9(a)并结合表1的结果分析HNTs具有Si、Al、O以及部分外来C元素^[41]，经过酸化处理后HNTs的Al含量下降，而Si含量几乎保持不变，这可以进一步证明盐酸先与HNTs内表面Al—OH反应，而对外层Si—OH没有影响，这与上文EDX分析结果一致。9(b)中HNTs的Al 2p高分辨率光谱存在2个峰，位于74.2 eV的Al 2p_3/2峰和位于74.55 eV处Al 2p_1/2峰，这表明HNTs中Al—O键的存在，9(c)中显示HNTs的Si 2p_3/2峰位于102.47 eV处，Si 2p_1/2峰位于103.02 eV处，证明HNTs存在Si—O键^[42]。对HNTs进行盐酸酸化后，AC-HNTs中Al 2p_3/2峰位于74.15 eV ，Al 2p_1/2峰位于74.54 eV处，Si 2p_3/2峰位于102.45 eV，Si 2p_1/2峰位于103.18 eV处，由于刻蚀作用的影响，内部Al—OH被反应，造成了Al元素损失，导致Al 2p峰强下降，这与表中Al元素量降低的结果一致。负载LNL后，L-AC-HNTs中Al 2p_3/2峰位于74 eV ，Al 2p_1/2峰位于74.34 eV处，Si 2p_3/2峰位于102.28 eV ，Si 2p_1/2峰位于102.98 eV处，L-AC-HNTs结合能峰的位置相比于AC-HNTs变化很小，通过负载前后结合能峰的位置判断L-AC-HNTs未形成新的化学键，LNL进入AC-HNTs管腔内部的负载方式属于物理负载。

图 9 (a) HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs的XPS全谱；(b) Al2p的XPS光谱；(c) Si2p的XPS光谱

Figure 9. (a) XPS full spectrum of HNTs, AC-HNTs, L-AC-HNTs; (b) XPS spectrum of Al2p; (c) XPS spectrum of Si2p

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs中Si、Al和C元素含量

Table 1. Content of Si、Al and C elements in HNTs, AC-HNTs and L-AC-HNTs

Samples	Si Atomic/%	Al Atomic /%	C Atomic /%
HNTs	14.20%	12.39%	14.83%
AC-HNTs	14.18%	12.26%	13.19%
L-AC-HNTs	12.84%	11.2%	24.59%

下载: 导出CSV

| 显示表格

2.4 HNTs酸化前后的孔隙变化与负载量

研究了HNTs酸化和负载后孔隙率的变化以及酸化和LNL的添加量对HNTs负载量的影响，图10所示的HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs样品的氮气等温吸附-脱附曲线，其等温线的形状够用来表征孔的结构特征，HNTs等样品的氮气等温吸附-脱附曲线属于第IV型。在相对压力较大时，样品的吸附量明显上升，斜率变大，具有平行板孔(H3型)回滞环特征^[43]。滞回环的产生，说明HNTs、AC-HNTs和L-AC-HNTs样品为介孔结构，在N₂吸-脱附过程中发生了毛细冷凝现象^[44]，相比于AC-HNT，L-AC-HNTs和HNTs的氮气等温吸附-脱附曲线中的回滞环更小，氮气的最大吸附量降低， AC-HNTs上的孔隙结构变大，LNL负载于HNTs的部分孔隙，从而减少了吸附量。通过图10(b)看出与HNTs对比，在LNL添加量相同的情况下，AC-HNT对LNL的负载量提升了10.6%，结合AC-HNTs氮气吸脱附曲线的变化，表明酸化导致内表面刻蚀出孔洞，扩大了HNTs内的管腔^[45]，有效提升了HNTs对LNL的负载量。在此基础上研究不同添加量的LNL对于AC-HNTs负载量的影响，可以发现在AC-HNTs和LNL添加比例为1∶5的情况下AC-HNTs对LNL的负载量为11.8%，而在1∶10的最佳比例下负载量提升至15.6%，但是随着比例继续增加到1∶20，AC-HNTs对LNL的负载量并未得到提升，而是保持在15%左右，这是由于在固定浓度下的盐酸酸化刻蚀的作用是有限的，LNL无法持续填充，但如果为了增强酸化刻蚀效果而继续提升盐酸浓度则会导致HNTs的晶体结构被破坏，导致负载到AC-HNTs孔道内的LNL会在洗涤的过程中被洗出^[15]，因此，选用3 mol/L的盐酸对HNTs进行刻蚀以及1∶10的LNL对AC-HNTs进行负载是最佳配比。

图 10 (a) HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs的氮气等温吸附-脱附曲线；(b)酸化前后HNTs对不同添加量LNL负载量

Figure 10. (a) Nitrogen isothermal adsorption-desorption curves of HNTs、AC-HNTs、L-AC-HNTs; (b) Loadings of HNTs to different additions of LNL before and after acidification

下载: 全尺寸图片幻灯片

HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs的比表面积及孔径结构数据如表2所示，HNTs的比表面积和总孔体积分别为13.5389 m²/g和0.004 cm³/g，酸化后的HNTs的比表面积和总孔体积增大为37.2893 m²/g、0.009 cm³/g，与氮气吸脱附曲线的结果相吻合，进一步说明盐酸扩大了HNTs的管腔内径和孔体积。而L-AC-HNTs的比表面积和总孔体积相较于AC-HNTs分别降低至28.8100 m²/g和0.008 cm³/g，这是由于HNTs管腔是LNL的主要负载位置，大部分LNL吸附于HNTs的管腔孔隙中。

表 2 HNTs，AC-HNTs和L-AC-HNTs的比表面积和孔径结构数据

Table 2. S_BET and porosity data of HNTs, AC-HNTs and L-AC-HNTs

Samples	S_BET/(m²·g⁻¹)	V_pore/(cm³·g⁻¹)
HNTs	13.5389	0.04
AC-HNTs	37.2893	0.09
L-AC-HNTs	28.8100	0.08
Notes：S_BET is the specific surface area，V_pore is the total pore volume.

下载: 导出CSV

| 显示表格

3. 结论

采用真空负压法成功将芳樟醇(LNL)负载于酸化埃洛石纳米管(AC-HNTs)中，制备出新型有机-无机复合型防霉抗菌剂(L-AC-HNTs)，并探究LNL的最佳添加量，得到以下结论：

(1)芳樟醇-埃洛石纳米管(L-AC-HNTs)防霉抗菌剂对竹材常见霉菌(桔青霉、黑曲霉)和细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)具有良好的抑制作用且随着防霉抗菌剂添加量从0.5%(W/V)逐步增加至1.5%(W/V)，抗菌效果也逐渐增强，对几种霉菌和细菌的抑菌率最高均达到100%。

(2) HNTs酸化后，氮气最大吸附量升高，总孔体积和比表面积增大。酸化刻蚀HNTs为负载LNL创造了有利条件。负载后LNL吸附在孔隙上，使总孔体积和比表面积减小，观察微观结构发现其表面变得粗糙，LNL成功负载于AC-HNTs中。添加与AC-HNTs比例为1∶10的LNL，AC-HNTs对LNL的负载量最高，达到15.6%，与未酸化的HNTs相比提升了10.6%，选用1∶10比例的LNL对AC-HNTs进行负载是最经济有效的。

(3)引入AC-HNTs后，与纯LNL的热分解速率峰值温度189.4℃相比，L-AC-HNTs的热分解速率峰值温度提升47.7%，50℃下72 h后L-AC-HNTs的保留率为94.6%，相比于纯LNL提升了86.4%，表明AC-HNTs对LNL有保护作用，赋予了LNL缓释功能，并且大幅提升了LNL的热稳定性。

图 1 羰基铁粉(CIP)和CIP@SiO₂热处理前后的XRD图谱。

Figure 1. XRD patterns of carbonyl iron powder (CIP) and CIP@SiO₂ before and after heat treatment.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 SiO₂包覆CIP前后的SEM图像：(a)包覆前;(b)包覆后。EDS点扫描谱图：(c)点1;(d)点2。面扫描元素分布图像：(e) CIP@SiO₂电子图像；(f) Fe元素分布图像；(g) O元素分布图像；(h) Si元素分布图像。

Figure 2. SEM images before and after SiO₂ coated CIP: (a) before coating; (b) after coating. EDS spectrum: (c) point 1; (d) point 2. Element distribution maps: (e) CIP@SiO₂ image; (f) Fe distribution map; (g) O distribution map; (h) Si distribution map.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 复合材料的电磁参数：(a)介电常数的实部ε'；(b)介电常数的虚部ε''；(c)磁导率的实部μ'；(d)磁导率的虚部μ''。

Figure 3. Electromagnetic parameters of composites: (a) the real part ε' of dielectric constant; (b) the imaginary part ε'' of dielectric constant; (c) the real part μ' of magnetic permeability; (d) the imaginary part μ'' of magnetic permeability.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 吸波复合材料的RL三维图：(a) 30 wt.%CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6；(b) 40 wt.%CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6；(c) 50 wt.%CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6；(d) 60 wt.%CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6；(e) 70 wt.%CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6；(f)70 wt.%CIP的CIP-GF/PA6。

Figure 4. RL 3 D plots of composites: (a) 30 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6; (b) 40 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6; (c) 50 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6; (d) 60 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6; (e) 70 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6; (f) 70 wt.%CIP of CIP-GF/PA6.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 (a) CIP@SiO₂的微波损耗示意图。复合材料的Z_in/Z₀值：(b) 70 wt.% CIP的CIP-GF/PA6；(c) 70 wt.% CIP@SiO₂的CIP@SiO₂-GF/PA6。

Figure 5. (a) Schematic diagram of microwave loss for CIP@SiO₂. Z_in/Z₀ of composites: (b) 70 wt.% CIP of CIP-GF/PA6; (c) 70 wt.% CIP@SiO₂ of CIP@SiO₂-GF/PA6.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 1 wt.%CB的CB-GF/PA6复合材料的RL三维图。

Figure 6. RL 3D plots of CB-GF/PA6 composite with 1 wt.%CB.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 不同CIP@SiO₂含量的CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料的电磁参数：(a)介电常数的实部ε'；(b)介电常数的虚部ε''；(c)磁导率的实部μ'；(d)磁导率的虚部μ''；(e)介电损耗角正切tanδε；(f)磁损耗角正切tanδμ。

Figure 7. Electromagnetic parameters of different contents of CIP@SiO₂ of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composites: (a) real part ε' of dielectric constant; (b) imaginary part ε'' of dielectric constant; (c) real part μ' of magnetic permeability; (d) imaginary part μ'' of magnetic permeability; (e) dielectric loss angle tangent tanδ_ε; (f) magnetic loss angle tangent tanδ_μ.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料的Z_in/Z₀：(a) 20 wt.% CIP@SiO₂；(b) 30 wt.% CIP@SiO₂；(c) 35 wt.% CIP@SiO₂；(d) 40 wt.% CIP@SiO₂；(e) 50 wt.% CIP@SiO₂；(f)不同含量的CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料的衰减常数ɑ。

Figure 8. Z_in/Z₀ of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composite: (a) 20 wt.% CIP@SiO₂; (b) 30 wt.% CIP@SiO₂; (c) 35 wt.% CIP@SiO₂; (e) 40 wt.% CIP@SiO₂; (e) 50 wt.% CIP@SiO₂; (f) Attenuation constant ɑ of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composite with different content.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料的RL三维图：(a, b)20 wt.% CIP@SiO₂；(c, d)30 wt.% CIP@SiO₂；(e, f)35 wt.% CIP@SiO₂；(g, h)40 wt.% CIP@SiO₂；(i, j)50 wt.% CIP@SiO₂。

Figure 9. RL of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composite: (a, b) 20 wt.% CIP@SiO₂; (c, d) 30 wt.% CIP@SiO₂; (e, f) 35 wt.% CIP@SiO₂; (g, h) 40 wt.% CIP@SiO₂; (i, j) 50 wt.% CIP@SiO₂.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 CB-CIP@SiO₂-GF/PA6复合材料C₀随频率的变化曲线。

Figure 10. C₀ versus frequency for CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composites with different contents of CIP@SiO₂.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 (a，b)CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料断口的微观形貌。CB-CIP@SiO₂-GF/PA6吸波复合材料的力学性能：(c)弯曲强度；(d)剪切强度；(e)冲击强度。

Figure 11. (a, b) SEM images of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composite fracture. Mechanical strength of CB-CIP@SiO₂-GF/PA6 composites: (c) flexural strength; (d) shearing strength; (e) impact strength.

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(36)

[1]	CHOI W H, KIM C G. Broadband microwave-absorbing honeycomb structure with novel design concept[J]. Composites Part B-Engineering, 2015, 83: 14-20. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.08.027
[2]	HUANG H M, WANG W, CAO T S, et al. Broadband radar absorbing performance of corrugated structure[J]. Composite Structures, 2020, 253: 112809. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112809
[3]	MARRA F, LECINI J, TAMBURRANO A, et al. Broadband Electromagnetic Absorbing Structures Made of Graphene/Glass-Fiber/Epoxy Composite[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2020, 68(2): 590-601. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2950223
[4]	张明伟, 曲冠达, 庞梦瑶, et al. 电磁屏蔽机理及涂敷/结构型吸波复合材料研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(Z1): 62-70. ZHANG Mingwei, QU Guanda, PANG Mengyao, et al. Research Progress of Electromagnetic Shielding Mechanism and Coated /Structural Absorbing Composite Materials[J]. Mterials reports, 2021, 35(Z1): 62-70 (in Chinese).
[5]	CHOI W H, JANG H K, SHIN J H, et al. Wideband radar absorbing structure with low density material and load-bearing MWCNT added composite material[J]. Electronics Letters, 2013, 49(9): 620-621. DOI: 10.1049/el.2013.0645
[6]	LIANG C B, GU Z J, ZHANG Y L, et al. Structural Design Strategies of Polymer Matrix Composites for Electromagnetic Interference Shielding: A Review[J]. Nano-Micro Letters, 2021, 13(1): 181. DOI: 10.1007/s40820-021-00707-2
[7]	熊健, 李志彬, 刘惠彬. 航空航天轻质复合材料壳体结构研究进展[J]. 复合材料学报, 2021, 38(6): 1628-1650. XIONG Jian, LI Zhibin, LIU Huibin, et al. Advances in aerospace lightweight composite shell structure[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(6): 1628-1650 (in Chinese).
[8]	HU W X, YIN H F, YUAN H D, et al. Microwave absorption and mechanical properties of glass fiber/polyamide 6 composites containing carbon black by microstructural design[J]. Composites Science and Technology, 2023, 233: 109927. DOI: 10.1016/j.compscitech.2023.109927
[9]	DONG J, ZHOU W C, QING Y C, et al. Dielectric and microwave absorption properties of CB doped SiO2f/PI double-layer composites[J]. Ceramics International, 2018, 44(12): 14007-14012. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.04.252
[10]	DONG J, ZHOU W C, DUAN S C, et al. Mechanical, dielectric and microwave absorption properties of carbon black (CB) incorporated SiO2f/PI composites[J]. Journal of Materials Science-Materials in Electronics, 2018, 29(20): 17100-17107. DOI: 10.1007/s10854-018-9860-z
[11]	胡婉欣, 尹洪峰, 袁蝴蝶, et al. 纤维增强树脂基吸波复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 178-189. HU Wanxin, YIN Hongfeng, YUAN Hudie, et al. Research status of fiber reinforced resin matrix microwave absorbing composite[J]. China Plastics, 2022, 36(10): 178-189 (in Chinese).
[12]	HUANG Y X, WU D, CHEN M J, et al. Evolutionary optimization design of honeycomb metastructure with effective mechanical resistance and broadband microwave absorption[J]. Carbon, 2021, 177: 79-89. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.02.066
[13]	ZHOU D, HUANG X Z, DU Z J. Analysis and Design of Multilayered Broadband Radar Absorbing Metamaterial Using the 3-D Printing Technology-Based Method[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 133-136. DOI: 10.1109/LAWP.2016.2560904
[14]	YUCHANG Q, WANCHENG Z, SHU J, et al. Microwave electromagnetic property of SiO₂-coated carbonyl iron particles with higher oxidation resistance[J]. Physica B: Condensed Matter, 2011, 406(4): 777-780. DOI: 10.1016/j.physb.2010.11.079
[15]	ZHANG J X, FENG Y B, QIU T, et al. Preparation and characterization of carbonyl iron powder/millable polyurethane elastomer microwave absorbing patch[J]. Polymer Composites, 2014, 35(7): 1318-1324. DOI: 10.1002/pc.22782
[16]	GAO Y, GAO X Y, LI J, et al. Improved microwave absorbing property provided by the filler's alternating lamellar distribution of carbon nanotube/carbonyl iron/poly (vinyl chloride) composites[J]. Composites Science and Technology, 2018, 158: 175-185. DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.11.029
[17]	HUANG L X, DUAN Y P, YANG X, et al. Ultra-flexible composite metamaterials with enhanced and tunable microwave absorption performance[J]. Composite Structures, 2019, 229: 111469. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111469
[18]	LI W P, ZHU L Q, GU J, et al. Microwave absorption properties of fabric coated absorbing material using modified carbonyl iron power[J]. Composites Part B-Engineering, 2011, 42(4): 626-630. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.02.019
[19]	TANG J, MA L, HUO Q, et al. The influence of PVP on the synthesis and electromagnetic properties of PANI/PVP/CIP composites[J]. Polymer Composites, 2014, 36(10): 1799-1806.
[20]	TANG J H, MA L, TIAN N, et al. Synthesis and electromagnetic properties of PANI/PVP/CIP core-shell composites[J]. Materials Science and Engineering B-Advanced Functional Solid-State Materials, 2014, 186: 26-32.
[21]	CHEN X T, ZHANG D, CHEN H Y, et al. Preparation and characterization of CIP@Fe3O4@PANI composites[J]. Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 628: 127410.
[22]	HE Z F, FANG Y, WANG X J, et al. Microwave absorption properties of PANI/CIP/Fe3O4 composites[J]. Synthetic Metals, 2011, 161(5-6): 420-425. DOI: 10.1016/j.synthmet.2010.12.020
[23]	WANG H Y, ZHU D M, ZHOU W C, et al. Electromagnetic property of SiO2-coated carbonyl iron/polyimide composites as heat resistant microwave absorbing materials[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 375: 111-116. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.09.061
[24]	LI J, FENG W J, WANG J S, et al. Impact of silica-coating on the microwave absorption properties of carbonyl iron powder[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 393: 82-87. DOI: 10.1016/j.jmmm.2015.05.049
[25]	AMIRMAHANI N, MAHDIZADEH H, MALAKOOTIAN M, et al. Evaluating Nanoparticles Decorated on Fe₃O₄@SiO₂-Schiff Base (Fe₃O₄@SiO₂-APTMS-HBA) in Adsorption of Ciprofloxacin from Aqueous Environments[J]. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 2020, 30(9): 3540-3551. DOI: 10.1007/s10904-020-01499-5
[26]	ZHANG N, WANG Y, CHEN P Z, et al. A rational route towards dual wave-transparent type of carbonyl iron@SiO₂@heterogeneous state polypyrrole@paraffin composites for electromagnetic wave absorption application[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 581: 84-95. DOI: 10.1016/j.jcis.2020.07.087
[27]	穆锐, 刘元雪, 刘晓英. SiO2气凝胶复合材料及其在航空航天领域的研究进展[J]. 复合材料学报, 2024, 41(7): 3359-3375. MU Rui, LIU Yuanxue, LIU Xiaoying, et al. Advances in silica aerogel composites and their research in aerospace[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(7): 3359-3375 (in Chinese).
[28]	LAI W W, WANG Y, HE J K. Effects of Carbonyl Iron Powder (CIP) Content on the Electromagnetic Wave Absorption and Mechanical Properties of CIP/ABS Composites[J]. Polymers, 2020, 12(8): 1694. DOI: 10.3390/polym12081694
[29]	ZHENG Y S, WANG Y. Electromagnetic-Wave Absorption Properties of 3D-Printed Thermoplastic Polyurethane/Carbonyl Iron Powder Composites[J]. Polymers, 2022, 14(22): 4960. DOI: 10.3390/polym14224960
[30]	LYU L H, LIU W D, SUN B Z. Electromagnetic Wave-Absorbing and Bending Properties of Three-Dimensional Honeycomb Woven Composites[J]. Polymers, 2021, 13(9): 1485. DOI: 10.3390/polym13091485
[31]	WANG H Q, WANG M, ZHANG X C, et al. A new type of catalyst allows carbonyl iron powder to be coated with SiO2 for tuned microwave absorption[J]. Surfaces and Interfaces, 2020, 21: 100755. DOI: 10.1016/j.surfin.2020.100755
[32]	CHEN Q L, LI L Y, WANG Z L, et al. Synthesis and enhanced microwave absorption performance of CIP@ SiO2@Mn0.6Zn0.4Fe2O4 ferrite composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 779: 720-727. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.112
[33]	YAN J, HUANG Y, WEI C, et al. Covalently bonded polyaniline/graphene composites as high-performance electromagnetic (EM) wave absorption materials[J]. Composites Part a-Applied Science and Manufacturing, 2017, 99: 121-128. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.04.016
[34]	WEI C H, HE M K, LI M Q, et al. Hollow Co/NC@MnO2 polyhedrons with enhanced synergistic effect for high-efficiency microwave absorption[J]. Materials Today Physics, 2023, 36: 101142. DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101142
[35]	WU N N, XU D M, WANG Z, et al. Achieving superior electromagnetic wave absorbers through the novel metal-organic frameworks derived magnetic porous carbon nanorods[J]. Carbon, 2019, 145: 433-444. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.01.028
[36]	王子健, 周晓东. 连续纤维增强热塑性复合材料成型工艺研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 10: 120-128. WANG Zijian, ZHOU Xiaodong. Research progress on forming process of continuous fiber reinforced thermoplastic composites[J]. Composites Science and Engineering, 2021, 10: 120-128 (in Chinese).

施引文献

资源附件(1)

其他相关附件
- 本文图文摘要
   点击下载

长摘要

目的
随着民用吸波材料需求的增加，宽带吸收性能变得越来越重要。羰基铁粉作为一种磁损耗型金属微粉，具有较高的饱和磁化强度和磁导率，依靠磁损耗可以实现优异的吸波效果，其优异的吸波特性通常表现在较低频段。然而，由于CIP的电阻率较低，复介电常数通常较高，致使阻抗匹配性能较差，并且CIP容易被氧化，从而对其磁性能和吸波性能产生较大的影响。因此本文采用二氧化硅对CIP表面进行包覆，解决其氧化问题，并提升了阻抗匹配。另外，电阻损耗型吸波剂CB通常在较高频段显示出优异的吸波性能，与CIP复合后可拓宽有效微波吸收频带，从而提升复合材料的微波吸收性能。
方法
采用了Stber法以正硅酸乙酯为硅源，在CIP表面制备了SiO薄膜。又将CB、CIP@SiO和PA6粉末按不同配比混合均匀，将玻璃纤维和混合好的粉末以逐层堆叠的方式铺在模具中进行压制成型，制备出了CB-CIP@SiO-GF/PA6吸波复合材料。通过场发射扫描电子显微镜和能量色散光谱观察了复合材料的微观结构和元素的确定。采用X射线衍射对材料的物相组成进行分析。使用矢量网络分析仪测试了吸波复合材料在Ku波段的电磁参数。最后，使用万能试验机对材料的弯曲强度和剪切强度进行了测试，使用摆锤冲击试验机对材料的冲击性能进行了测试。
结果
(1)SiO薄膜包覆CIP所形成的核壳结构解决了CIP的易氧化问题，保证了CIP的电磁性能，并改善了复合材料的阻抗匹配。(2)CB和CIP@SiO对复合材料吸波性能的协同增强，使吸波复合材料的有效吸收带宽得到拓展。其中，含量为30 wt.%和35 wt.%CIP@SiO吸波复合材料的有效吸收带宽超过了5.6 GHz，涵盖整个Ku波段。(3)随着CIP@SiO含量的逐渐增加，在颗粒增强与纤维增强的共同作用下使复合材料的力学性能也逐渐提高，含40 wt.% CIP@SiO的吸波复合材料的弯曲强度为212.8±9.8 MPa，剪切强度为21.0±1.4 MPa，摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m。
结论
这种方法有效地提升了材料的吸波性能，拓宽了吸收频带，并为吸波性能的调节和设计提供了思路。另外，改善了复合材料的力学性能的同时减少了CIP在复合材料中的负载量，有利于复合材料的轻量化。

创新点

磁性金属微粉羰基铁粉(CIP)拥有良好的电磁性能，且强度高，在吸波复合材料领域的研究越来越多。但其在复合过程中容易被氧化，从而对其电磁性能和吸波性能产生较大的影响。并且在复合材料中的负载量通常较大，导致材料质量的增加，不利于轻量化处理。因此，与其他类型的吸波剂复合是调整CIP吸波复合材料的有效途径。
本文通过二氧化硅(SiO₂)薄膜的包覆解决了CIP的易氧化问题，保证了其电磁性能的同时又通过核壳结构提升了CIP的阻抗匹配。并以拓宽微波吸收频带为目的，采用热压成型工艺与吸波剂炭黑(CB)制备了CB-CIP@SiO₂-玻璃纤维/尼龙6(CB-CIP@SiO₂-GF/PA6)吸波复合材料。研究了磁损耗型吸波剂CIP@SiO₂和电阻损耗型吸波剂CB对复合材料微波吸收和力学性能的影响。研究结果表明，在SiO₂薄膜的包覆下，CIP充分发挥了其微波吸收特性，并与CB协同提升了复合材料的吸波性能。另外，CIP的负载量从70 wt.%降低至30 wt.%左右，大大减轻了复合材料的质量。其中，掺量为1 wt.%CB和30 wt.%CIP@SiO₂的吸波复合材料的有效吸收带宽在材料的厚度为1.91-1.95 mm时超过了5.6 GHz且覆盖了整个Ku波段。这种方法一方面拓宽了吸波复合材料的有效吸收带宽，实现了宽带吸波。另一方面，CIP@SiO₂的颗粒增强与GF的纤维增强实现共同增强，提升了复合材料的整体力学性能。当CIP@SiO₂的含量为40 wt.%时，复合材料的力学性能最佳，弯曲强度为212.8±9.8 MPa，剪切强度为21.0±1.4 MPa，摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m²。
1
(a)CIP@SiO₂的微波损耗示意图；(b)CB-CIP@SiO₂-GF/PA6宽带吸收性能。