铁氧体/芦苇秆炭复合材料的制备与吸波性能

简煜; 范勋娥; 邱柏杨; 田迅东; 杨喜

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240018.001

铁氧体/芦苇秆炭复合材料的制备与吸波性能

中南林业科技大学　材料科学与工程学院，长沙 410004

基金项目: 湖南省自然科学基金(S2022JJQNJJ0900)；国家自然科学基金(31901375)；中南林业科技大学人才启动基金(2018YJ033)

详细信息

通讯作者:
杨喜，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为竹材材性及改良、生物质炭材料　E-mail: yangxijy@126.com

中图分类号: TB332
计量
- 文章访问数: 328
- HTML全文浏览量: 208
- PDF下载量: 30
出版历程
- 收稿日期: 2023-11-15
- 修回日期: 2023-12-18
- 录用日期: 2024-01-07
- 网络出版日期: 2024-01-17
- 刊出日期: 2024-10-14

Preparation and microwave absorption properties of ferrite/reed charcoal composites

College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, China

Funds: Natural Science Foundation of Hunan Province (S2022JJQNJJ0900); National Natural Science Foundation of China (31901375); Talent Initiation Fund of Central South University of Forestry and Technology (2018YJ033)

摘要

摘要: 为了解决铁氧体吸波材料密度大、吸收带宽窄等问题，以芦苇茎秆为原料，采用常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC，FRC)复合材料，通过调节碳化温度调控复合材料的电磁特性和电磁波吸收性能。SEM、TEM、XRD、VSM及VNA等结果表明：Ferrite/RC复合材料保留了芦苇秆天然的三维蜂窝状网络结构，Fe₃O₄及铁纳米颗粒均匀分布在芦苇秆碳壁与孔道中；提升碳化温度(650~690℃)可增大复合材料的电导率与介电损耗能力，但温度过高会导致材料阻抗失配从而降低电磁衰减能力。碳化温度为670℃时制备的复合材料(FRC-670)吸波性能最佳，它在匹配厚度仅为1.7 mm时反射损耗达到−45.7 dB，对应有效吸收带宽为3.4 GHz；在厚度为2 mm时有效吸收带宽为5.7 GHz (12.1~17.8 GHz)。其主要的电磁波衰减机制源于复合材料良好的电导损耗、极化弛豫损耗以及电损耗与磁损耗的协同作用。铁氧体/芦苇秆炭复合材料优异的吸波性能在电磁波吸收领域具有良好前景，可促进芦苇资源的高值化与功能化应用。
- 芦苇 /
- Fe₃O₄ /
- 碳化 /
- 吸波性能 /
- 磁损耗 /
- 电磁性能
Abstract: In order to solve the problems of high density and narrow absorption bandwidth of ferrite absorbing materials, the ferrite/reed charcoal (Ferrite/RC, FRC) composites were prepared from reed stalks by impregnation and high temperature in-situ growth methods. The electromagnetic characteristics and electromagnetic wave absorption properties of the composites were controlled by tailoring the carbonization temperature. The results of SEM, TEM, XRD, VSM and VNA show that the Ferrite/RC composites retain the natural three-dimensional honeycomb network structures of the reed stalks, and Fe₃O₄ and iron nanoparticles are uniformly distributed in the charcoal wall and pores of the reed stem; Raising the carbonization temperature (650-690℃) can increase the conductivity and dielectric loss ability of composites, but excessive temperature can lead to impedance mismatch of the material and reduce its electromagnetic attenuation ability. The composites prepared at a carbonization temperature of 670℃ exhibit the best absorption performance, with a reflection loss of −45.7 dB at a thickness of only 1.7 mm and an effective absorption bandwidth of 5.7 GHz (12.1-17.8 GHz) at a thickness of 2 mm, which is attributed to the good conductivity loss, polarization relaxation, and the synergistic effect of electrical and magnetic losses of composite materials. The excellent absorption performance of Ferrite/RC composites has good prospects in the field of electromagnetic wave absorption, which can promote the high-value and functional application of reed resources.
- reed /
- Fe₃O₄ /
- carbonization /
- absorbing performance /
- magnetic loss /
- electromagnetic characteristics

HTML全文

电磁波的广泛应用给人类社会带来了巨大的便利，也不可避免地造成严重的电磁辐射与干扰问题，电磁污染已成为仅次于水污染和大气污染的新型环境污染源^[1-2]。日常生活中，电磁辐射与电磁干扰不仅会影响电子设备的正常运行，而且还会危害人体健康，影响人的心血管、视觉和神经等系统^[3-5]。电磁波吸波材料能有效吸收入射电磁波，并将电磁能转化为其他能量而消耗，从而有效解决电磁污染问题^[6-7]。因此，设计高性能、可持续的吸波材料已成为近年的研究热点。

铁氧体是一种典型的磁损耗型吸波材料，其应用较早且使用范围最广，如Fe₃O₄、Fe₃C 和Fe₂O₃等，不仅具有较高的磁导率和矫顽力^[8]，而且有着吸收强、成本低、无毒、制备简单等优点^[9-10]。其中，Fe₃O₄中同时具有Fe²⁺和Fe³⁺，材料中的自由电子容易在不同离子之间发生跃迁，具有优良的吸波性能，是目前磁性材料中极具潜力的电磁波吸收剂。然而，单独使用铁氧体作为吸波材料时阻抗匹配特性较差，存在吸收频带较窄、密度大、热稳定性不好等问题^[11]，限制了其在电磁波吸收领域的实际应用^[12-13]。

通过将碳基材料与铁氧体材料复合制备吸波材料，使铁氧体的磁损耗与碳材料的介电损耗结合，从而达到优势互补的效果，可有效提升材料的吸波性能^[14-16]。常用的有铁氧体/石墨烯复合材料^[17-18]、铁氧体/碳纳米管复合材料^[19-20]、铁氧体/碳纤维复合材料^[21-22]，以及其他铁氧体/导电高分子复合材料^[23]。例如，程显彬^[24]通过原位自聚合法，以多巴胺为碳、氮源制备出Fe₃O₄@NC复合材料，结果表明当样品匹配厚度为3.6 mm，频率为7.8 GHz时，最低反射损耗值(RL_min)可以达到−48.8 dB。Wang等^[25]以简单的溶剂热法制备了Fe₃O₄/石墨复合材料，当铁和石墨的摩尔比为3∶10时制备的样品(Fe₃O₄-2PG)在低频和高频均具备较好的性能，在C波段的RL_min为−40.6 dB，Ku波段的RL_min为−29.82 dB。Zhang等^[26]通过静电纺丝和碳化工艺制备了1D多孔Fe₃O₄纳米管，表现出优异的微波吸收性能，最低反射损耗值为−57.1 dB，有效吸收带宽为12.0 GHz。

我国芦苇资源十分丰富并且产地分布广，一年一收，综合利用周期短。然而大部分芦苇茎秆被当作燃料燃烧或烂在湿地，只有少量被用作化工原料和生物基材料^[27]，如作为造纸原材料等。芦苇茎秆主要由环形导管和薄壁细胞组成，主要成分包含纤维素(47.30%)、半纤维素(31.50%)和木质素(20.70%)^[28]。芦苇茎秆中空通直，有天然孔道结构。经碳化后不仅具有一定的导电性能和较好的介电损耗能力，且保留了多孔的三维网络结构，具有较好的阻抗匹配特性，是一种优良的磁损耗吸波剂载体。对芦苇茎秆改性后高温热解制备复合吸波材料，制作过程简易，符合绿色可持续发展理念，有利于实现芦苇资源的高效利用和高值化应用。

本文以芦苇茎秆为原料，通过简单的常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC)复合材料。研究了不同碳化温度对Ferrite/RC复合材料结构、微观形貌、电磁参数及吸波性能的影响。碳化温度为670℃时制备的样品FRC-670展现出优异的微波吸收性能，它在厚度仅为1.7 mm时反射损耗值达到−45.7 dB，在厚度为2 mm时的有效吸收带宽为5.7 GHz (12.1~17.8 GHz)，是一种潜力巨大的吸收强、厚度薄、密度低的绿色生物质基吸波材料。

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

芦苇(Phragmites australis)采自湖南洞庭湖，茎长4~5 m，径级5~20 mm，将芦苇茎秆去节子后对剖备用。九水硝酸铁(Fe(NO₃)₃·9H₂O)，分析纯，购于广西西陇化工股份有限公司。

1.2 材料制备

首先于烧杯内配制物质的量浓度为0.01 mol/L的硝酸铁溶液60 mL，然后将2 g芦苇秆放入硝酸铁溶液中室温浸泡20 h后移至电热鼓风干燥箱中，在温度为60℃条件下干燥，直至水分完全蒸发，得到混合前驱体。将干燥好的混合前驱体置于刚玉舟内并移至管式炉中，在保护气氛(氮气)中以5℃/min速率升温至预设温度(650℃、670℃、690℃)后保温2 h，再以相同的速率降温至100℃，接着自然冷却至室温后取出样品，得到铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC)复合吸波材料。将其分别标记为FRC-650、FRC-670及FRC-690，后缀表示碳化温度，如FRC-670代表碳化温度为670℃的样品。此外，将未经硝酸铁溶液浸泡的芦苇在670℃碳化2 h的样品作为对照组，标记为RC-670，见表1。

表 1 铁氧体/芦苇秆炭(RC) (FRC)复合材料的命名

Table 1. Naming of ferrite/reed charcoal (RC) (FRC) composites

Sample	Carbonization temperature/℃
RC-670	670
FRC-650	650
FRC-670	670
FRC-690	690

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.3 材料表征

使用场发射扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Sigma 300，德国卡尔蔡司股份有限公司)观察样品的微观形态与结构。采用X射线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance，德国布鲁克股份公司)分析样品的晶体物相和结构。采用热重分析仪(TG，TG-DTA8122，日本理学公司)对碳组分和铁氧体的相对含量进行分析。使用振动样品磁强计(VSM，LakeShore7404，美国LakeShore公司)研究材料的静态磁性能。利用矢量网络分析仪 (VNA，AV3672B-S，中国电子科技集团公司) 获取样品测试环在 2~18 GHz 频率范围内的电磁参数(ε'、ε''、μ'、μ'')。利用下列公式计算样品的反射损耗值^[29]：

${Z}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}={Z}_{0}\sqrt{\frac{{\mu }_{\mathrm{r}}}{{\varepsilon }_{\mathrm{r}}}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{h}\left(\mathrm{j}\frac{2{\text{π}}fd}{\mathrm{c}}\right)\sqrt{{{\mu }_{\mathrm{r}}\varepsilon }_{\mathrm{r}}}$

(1)

$\text{}\text{RL}\text{=20lg}\left|\frac{{Z}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{Z}_{0}}{{Z}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}\text+{Z}_{0}}\right|$

(2)

式中：RL为反射损耗值(dB)； Z_in是吸收体的输入阻抗(Ω)；Z₀是自由空间阻抗；ε_r (ε_r=ε'−jε'')、μ_r (μ_r=μ'−jμ'')、d分别是吸收器的复介电常数、复磁导率和厚度(mm)；f和c分别表示频率(GHz)和光速。

2. 结果与讨论

2.1 材料结构与微观形貌

用XRD对铁氧体/芦苇秆炭复合材料的结构进行表征，结果如图1(a)所示。当碳化温度为650~690℃时，样品在2θ=18.3°、30.1°、35.5°、43.1°、57.0°、62.5°处均可观察到Fe₃O₄特征衍射峰(JCPDS No. 74-0748)，且几乎所有衍射峰半高宽较小，峰较尖锐，说明芦苇秆炭内成功载入Fe₃O₄，且得到的复合材料结晶性较好。随着碳化温度升高，衍射峰的峰值也明显增高，当温度为690℃时，Fe₃O₄的特征衍射峰最为明显，说明其含量更多，结晶最好。除此之外复合材料还有极少量的Fe₃C和单质铁，多相的物质种类有利于增强材料的界面极化损耗能力。当碳化温度为690℃时，在2θ=44°左右出现了Fe的(100)晶面衍射峰 (JCPDS No. 50-1275)。这可能是由于在较高温度下，Fe³⁺被碳元素或热解气体还原生成单质铁^[30]，可能发生的化学反应如下：

图 1 (a)铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC，FRC)复合材料的XRD图谱；(b) FRC-670的热重分析图

Figure 1. (a) XRD patterns of ferrite/reed charcoal (Ferrite/RC, FRC) composites; (b) Thermogravimetric analysis diagram of FRC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

${{\mathrm{Fe}}}_{3}{{\mathrm{O}}}_{4}\stackrel{\Delta }{\to }3{\text{α-}} {\mathrm{Fe}}+2{{\mathrm{O}}}_{2}$

(3)

$2{\mathrm{C}}+{{\mathrm{O}}}_{2}\to 2{\mathrm{CO}}$

(4)

${{\mathrm{Fe}}}_{3}{{\mathrm{O}}}_{4}+4{\mathrm{CO}}\stackrel{\Delta }{\to }3{\mathrm{Fe}}+4{{\mathrm{CO}}}_{2}$

(5)

在空气介质中对复合材料进行TG测试，从而推导出复合材料中碳组分和Fe₃O₄的相对含量。复合材料的TG曲线如图1(b)所示，在所测温度范围内可分为两段。第一阶段发生于室温~100℃之间，此时样品轻微的质量损失主要源自于水分的蒸发，水分含量约2wt%。第二阶段发生于300~500℃之间，此时复合材料中的主要物质碳组分发生氧化与降解，导致质量大幅度下降，此后样品质量稳定在74wt%左右。当温度大于500℃时，样品的质量损失速率接近0。因此，样品中碳组分的相对含量大约是24wt%，铁氧体大约为74wt%，二者比例约为1∶3。

采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对复合材料的微观形貌和结构进行了表征，图2(a)~2(d)为不同分辨率下复合材料的微观结构。从图2(a)可明显观察到复合材料呈现典型的蜂窝状结构，蜂窝状单元由六边形碳壁围绕而成，其内部为中空通直的管道结构，管道半径约15~30 μm。将图2(a)进行局部放大，可以发现六边形碳壁上存在一些1~3 μm不等的小孔(图2(b))，它们源自芦苇秆的纹孔。这些微米级纹孔与中空管腔纵横相通形成三维网格结构，有利于电磁波进入材料内部进行多重反射和衰减。进一步将碳壁局部放大，观察到芦苇秆碳壁达到了纳米级别，且碳壁表面不光滑、有褶皱(图2(d))，这些褶皱有利于电磁波在材料内部的反射与散射。从图2(d)可知，纳米Fe₃O₄颗粒密集有序地固定在芦苇秆碳骨架中。

图 2 FRC-670的SEM图像((a)~(d))和TEM图像((e)~(g))

Figure 2. SEM images ((a)-(d)) and TEM images ((e)-(g)) of FRC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

图2(e)~2(g)为铁氧体/芦苇秆炭复合材料的TEM图像。从图2(e)中可以看出，铁氧体纳米颗粒均匀分布在芦苇秆碳骨架中，颗粒大小较为均匀，直径约为20~100 nm，颜色深浅不一。高分辨率图像(图2(f))显示，芦苇秆碳骨架为无定形多孔结构，这种独特的结构更有利于入射电磁波的损耗。图2(g)中的高分辨率TEM图像显示了条纹间距为0.25 nm，对应于Fe₃O₄的(311)平面，这与XRD结果相匹配。

为了研究材料的静态磁性能，对其进行了VSM测试。样品的磁滞回线曲线如图3所示，可以得到随着碳化温度的增加，样品的饱和磁化强度增大，FRC-650、FRC-670、FRC-690的饱和磁化强度分别为1.37 emu/g、1.57 emu/g和2.34 emu/g。结合XRD结果分析，碳化温度为690℃时出现了Fe的衍射峰，而单质铁的磁性是大于铁氧体的。材料的矫顽力越大，相应的磁损耗也越大，试样的矫顽力分别为67.98 Oe、60.48 Oe、59.83 Oe，表明FRC-650的磁损耗能力最强，FRC-670次之，而FRC-690略小于FRC-670，磁损耗最低。

图 3 Ferrite/RC复合材料的磁滞回线

Figure 3. Magnetic hysteresis loops of Ferrite/RC composites

M—Magnetization intensity; H—Magnetic field

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 铁氧体/芦苇秆炭复合材料的电磁参数

利用矢量网络分析仪获取了材料复介电常数和复磁导率在2~18 GHz范围内随频率的变化曲线，如图4所示。从图4(a)、图4(b)可以看出，样品的介电常数实部与虚部都随着碳化温度的升高而增大，其中FRC-690的介电常数实部ε'与虚部ε''均大于其他样品，这是由于材料电导率随碳化温度升高而增大，介电常数值与电导率成正比，故复合材料的介电常数实部与虚部随之增大。FRC-690的ε'值从18平缓下降到11.5左右，FRC-670、FRC-650的ε'值范围则分别为13~6.5、10~6.5。相较而言，所有样品的ε''随频率变化较小(图4(b))，FRC-670和FRC-650的ε''曲线在2~18 GHz内皆随频率增加呈现略微下降趋势。然而，FRC-690的介电常数虚部在3~6 GHz范围内有较明显的下降，在6~12 GHz范围内较为恒定，在12~18 GHz范围内出现了一个较大的共振峰，这可能来自于材料内部的偶极子极化弛豫。从图4(d)中可以看出，随着频率的增大，3组样品的磁导率实部整体都呈下降趋势。在3~6 GHz频率范围内，FRC-690的磁导率实部值明显大于另外两组样品，而6~18 GHz频率范围内基本接近另外两个样品(≈1.0)，FRC-670的实部值稍大于FRC-650。材料的介电损耗能力可通过介电损耗角正切值tanδ_ε (tanδ_ε=ε''/ε')表示，样品的tanδ_ε值如图4(c)所示，FRC-690样品的介电损耗角正切值在3~12 GHz频率范围内基本稳定在0.4左右，在12~18 GHz频率范围内有明显上升，峰值约0.6；FRC-670的tanδ_ε值整体呈现略微的上升趋势，介于0.4~0.5之间；FRC-650的tanδ_ε值在宽频内较为恒定，在0.4上下轻微浮动。可以看出，在2~18 GHz范围内FRC-650样品的tanδ_ε值最低，FRC-690较之有所增大。FRC-670具有最大的tanδ_ε值，表明其具有最大的介电损耗能力。

图 4 Ferrite/RC复合材料的电磁参数：复介电常数实部ε' (a)、虚部ε'' (b) 和介电损耗正切值tanδ_ε (c)；复磁导率实部μ' (d)、虚部μ'' (e)和磁损耗正切值tanδ_μ (f)

Figure 4. Electromagnetic parameters of Ferrite/RC composites: Real part ε' (a), imaginary part ε'' (b) and tangent tanδ_ε (c) of complex permittivity; Real part μ' (d), imaginary part μ'' (e) and tangent tanδ_μ (f) of permeability

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图4(e)可以看出3组样品的磁导率虚部值μ''都随频率增加而呈明显下降趋势，其中FRC-690在低频下的μ''值最大，在高频下的μ''值最小，在整个频率范围内下降速度最快，FRC-670的下降速度最慢。图4(f)中，磁损耗正切值tanδ_μ (tanδ_μ=μ''/μ')的曲线走向与磁导率虚部值μ''曲线相似，大致分布在−0.1~0.2之间。在2~13 GHz范围内，FRC-690具有最大的tanδ_μ值，其次为FRC-650，FRC-670最低；频率13~18 GHz时，FRC-690的tanδ_μ值最低，FRC-650和FRC-670的值接近。表明低频段FRC-690具有最高的磁损耗能力，而在更高频段时，FRC-650和FRC-670的磁损耗能力更高。

对比复合材料的tanδ_ε值和tanδ_μ值，tanδ_ε明显大于tanδ_μ，说明复合材料以介电损耗为主，FRC-670可能具有最佳的吸波性能。

电损耗主要包括电导损耗和极化弛豫。根据德拜弛豫理论，ε'和ε''曲线图可以描述样品的极化弛豫行为，每一个Cole-Cole半圆代表了一个德拜弛豫过程^[31]，半圆的数量越多，说明材料的极化损耗就越强。样品的ε'-ε''曲线如图5所示，从图中可以看出，所有样品的ε'-ε''曲线整体呈上升趋势，只是FRC-650和FRC-670的曲线上升趋势大于FRC-690。另外，FRC-670和FRC-690样品中的半圆数量多于FRC-650中的半圆数量，表明FRC-670和FRC-690样品中拥有更多的极化弛豫。

图 5 Ferrite/RC复合材料的ε'-ε''曲线图((a)~(c))、涡流系数C₀ (d)、衰减系数α (e)和FRC-670的阻抗匹配系数|Z| (f)

Figure 5. ε'-ε'' curves ((a)-(c)), eddy coefficient C₀ (d), attenuation factor α (e) of Ferrite/RC composites and |Z| of FRC-670 (f)

Z_in—Input impedance of the absorber; Z₀—Intrinsic impedance of free space

下载: 全尺寸图片幻灯片

磁损耗包括磁滞损耗、畴壁共振、涡流损耗、自然共振和交换共振等。在GHz的频率范围内，只有涡流损耗与自然共振可以对电磁波产生损耗。根据电子趋肤效应，常用C₀ (C₀=μ''(μ')⁻²f⁻¹)来评价材料磁损耗中的涡流损耗^[7]。如果磁能仅由涡流效应耗散，则C₀值应与频率无关，是一个常数值。样品的C₀值与频率的曲线如图5(d)所示，C₀值在3~6 GHz范围内剧烈波动，在其余频率范围内轻微地波动，说明铁氧体/芦苇秆炭复合材料的磁损耗是由涡流效应和铁磁共振共同作用产生的。

基于传输线理论和金属背板模型，通常用衰减系数α来表征电磁波在材料中的衰减量，衰减系数越大，意味着材料的电磁波衰减能力越强。其表达式为^[32]：

$\begin{split} &\alpha =\frac{\sqrt{2}{\text{π}} f}{c}\\ &\sqrt{{\mu }^{\prime \prime}{\varepsilon }^{\prime \prime}-{\mu }^{\prime}{\varepsilon }^{\prime}+\sqrt{{({\mu }^{\prime \prime}{\varepsilon }^{\prime \prime}-{\mu }^{\prime}{\varepsilon }^{\prime})}^{2}+{({\mu }^{\prime}{\varepsilon }^{\prime \prime}+{\mu }^{\prime \prime}{\varepsilon }^{\prime})}^{2}}} \end{split}$

(6)

其中：μ'和μ''分别为材料的磁导率的实部和虚部，分别衡量材料的磁存储容量和磁损耗能力；ε'和ε''分别代表介电常数的实部和虚部，分别体现着材料的电存储和介电损耗能力。样品的衰减系数如图5(e)所示，随着碳化温度的增加，材料的衰减系数逐渐增大。FRC-650、FRC-670和FRC-690的衰减系数范围分别为38~151、35~219及60~265。从上式和介电常数值与磁导率值可以看出，ε'和ε''值越大，衰减因子就越大。而过高的介电常数值可能会造成阻抗失配，从而降低吸波性能。FRC-670的阻抗匹配系数如图5(f)所示，随着匹配厚度的减小，阻抗匹配系数在0.9~1.1范围对应的面积增大，表明其阻抗匹配特性提升。

2.3 铁氧体/芦苇秆炭复合材料的吸波性能

通常来说，材料的电磁波吸收性能可以由材料的反射损耗值(RL)和有效吸收带宽(Effective absorption bandwidth，EAB)来评估^[33-34]。一般地，当反射损耗值小于−10 dB时，材料可吸收90%以上的入射波，因此将反射损耗值小于−10 dB的频带范围称为材料的有效吸收带宽，将反射损耗值最小的点对应的值称为反射损耗峰值(RL_min)。

根据式(1)和式(2)可知材料的反射损耗值和复介电常数、复磁导率、频率以及匹配厚度有关。利用矢量网络分析仪测得的复介电常数与复磁导率进行计算，得到不同厚度下复合材料的反射损耗值在2~18 GHz内随频率的变化关系，如图6所示。

图 6 FRC-650、FRC-670、RC690和RC-670的反射损耗值((a)~(d))

Figure 6. Reflection loss values ((a)-(d)) of FRC-650, FRC-670, FRC-690 and RC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图6(a)~6(c)中可以看出，当匹配厚度逐渐减小时，样品的反射损耗峰逐渐向高频移动，且对应的有效吸收带宽整体呈增加趋势。这符合1/4波长阻抗匹配模型(d_m=nλ/4，n=1, 3, 5, ···)，当频率增大，对应的波长变短，使得材料厚度为波长的1/4及其奇数倍从而干涉相消的厚度变小。随着匹配厚度的变化(1.5~5 mm)，样品的有效响应带宽均覆盖4~18 GHz。其中，FRC-650样品在匹配厚度为4 mm时具有最低反射损耗峰值，达到−45.4 dB，而当厚度为2 mm 时，具有最大的EAB (4.3 GHz)。FRC-670样品的反射损耗峰值整体上随厚度减小而增大，它在厚度仅为1.7 mm时的RL_min达到−45.7 dB，对应的EAB为3.4 GHz (14.7~18 GHz)；在厚度为2 mm时的吸收频带最宽，可达5.7 GHz (12.1~17.8 GHz)，对应的RL_min为−32.1 dB。同样地，FRC-690的反射损耗峰值也随厚度减小而增加，但较FRC-670变化幅度小。在1.5 mm厚度下具有最优的吸波性能，对应的最低RL值与EAB分别为−18.0 dB与4.8 GHz。由此可知，随着碳化温度的升高(650~690℃)，复合吸波材料的性能呈现先增强后减弱的趋势，其中670℃条件下碳化的样品吸波性能最佳，它在厚度为2.0 mm时的吸收频带最宽，在1.7 mm时的RL最低，且在14.6~18 GHz频率范围内的RL值都低于−10 dB。

复合材料的吸波性能主要由衰减特性和阻抗匹配特性共同作用决定。不同碳化温度下的试样结构组成不同，碳化温度会影响试样的电磁参数值，导致电磁衰减能力差异。结合VSM分析，碳化温度越高，铁氧体相对碳组分的含量会增大，饱和磁化强度增大；碳化温度越高，介电常数虚部值(ε'')就越大，而ε''与电导率成正比，于是电导率也增大；碳化温度越高，衰减因子越大。但电导率过大会引起材料阻抗失配从而降低吸波性能。适宜的碳化温度会在衰减特性和阻抗匹配特性取得最佳平衡，达到最优性能。FRC-690具有最大的磁损耗能力，然而其电损耗能力较差；而FRC-670因其电损耗能力最强和较好的阻抗匹配特性使得其整体的吸波性能最优。

与未经硝酸铁溶液浸渍的样品RC-670相比， FRC-670的RL_min值从−15 dB提升到−45.7 dB，最大有效吸收带宽从2.3 GHz增加到5.7 GHz。复合Fe₃O₄后对炭化结构表现在以芦苇炭为基体，其内部孔隙和表面负载铁氧体纳米颗粒，增强了磁损耗，从而提升了吸波性能。

为了更好地评价铁氧体/芦苇秆炭复合材料的吸波性能，表2列出了若干较具代表的碳基吸波材料。可以看出，FRC-670的性能在厚度、反射损耗和有效吸收带宽方面优于已报道的若干碳基吸波材料。其优异的吸波性能主要得益于：(1)在适宜的碳化温度下，芦苇炭具有较好的导电能力，增强了材料的导电损耗；(2)芦苇炭保留了芦苇茎秆原有的三维蜂窝状的三维网络结构，有利于入射电磁波的在材料内部的反射和散射，从而优化了阻抗匹配特性；(3)引入的Fe₃O₄及单质铁粒子增强了材料的极化损耗和磁损耗能力。

表 2 碳基吸波材料的性能对比

Table 2. Comparison of microwave absorption properties of carbon-based materials

Absorber	RL_min/dB	EAB/GHz	Thickness/mm	Filler loading/wt%	Ref.
FRC-670	−45.7	3.4	1.7	35	This work
FRC-670	−32.1	5.7	2.0	35	This work
Walnut shell-based porous carbon	−42.4	1.8	2.0	70	[35]
Functionalized loofah sponge	−43.8	5.3	3.0	50	[36]
Rice husk-based porous C/Co	−21.8	5.6	1.4	25	[37]
Fe₃O₄@lignin	−29.5	2.0	4.0	20	[38]
NiO/porous carbon	−33.8	6.7	8.0	30	[39]
Wheat straw-derived carbon foam	−37.0	8.8	2.5	10	[40]
Shaddock peel-based CA	−29.5	5.8	1.7	20	[31]
BHPC	−47.46	3.40	2.8	10	[41]
Fe₃C/biochar	−45.6	5.5	4.24	30	[30]
Cotton-derived porous Fe₃O₄/C composite	−22.1	4.4	2.0	50	[42]
NC@Fe₃O₄	−40.3	4.0	2.0	70	[43]
Notes: RL_min—Minimum reflection loss value; EAB—Effective absorption bandwidth; CA—Carbon aerogel; BHPC—Biomass hierarchical porous carbon; NC—Nanoporous carbon.

下载: 导出CSV

| 显示表格

3. 结论

(1)本文以芦苇茎秆为原料，采用常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭复合材料，SEM、TEM等结果表明铁氧体/芦苇秆炭复合材料保留了芦苇秆天然的三维蜂窝状网络结构，Fe₃O₄及铁纳米颗粒均匀分布在芦苇茎秆碳壁与孔道中。

(2) TG、XRD等结果表明碳组分和铁氧体相对含量分别是24wt% 和74wt%；复合材料中的Fe成分主要包含Fe₃O₄和少量的Fe₃C、单质铁，引入磁源不仅增强了材料的磁损耗能力，其多相组分也有利于增强复合材料的界面极化损耗。

(3)调节碳化温度可有效调控材料的介电常数和吸波性能。提升碳化温度(650~690℃)可增大复合材料的电导率与介电损耗能力，但温度过高会导致材料阻抗失配进而降低电磁衰减能力。碳化温度为670℃时制备的复合材料吸波性能最佳，它在匹配厚度为2 mm时的有效吸收带宽为5.7 GHz(12.1~17.8 GHz)。在厚度仅为1.7 mm时最低反射损耗达到−45.7 dB，在 2~5.5 mm 厚度范围内对电磁波的有效吸波频宽达到 14.0 GHz (4.0~18 GHz)。

图 1 (a)铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC，FRC)复合材料的XRD图谱；(b) FRC-670的热重分析图

Figure 1. (a) XRD patterns of ferrite/reed charcoal (Ferrite/RC, FRC) composites; (b) Thermogravimetric analysis diagram of FRC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 FRC-670的SEM图像((a)~(d))和TEM图像((e)~(g))

Figure 2. SEM images ((a)-(d)) and TEM images ((e)-(g)) of FRC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 Ferrite/RC复合材料的磁滞回线

Figure 3. Magnetic hysteresis loops of Ferrite/RC composites

M—Magnetization intensity; H—Magnetic field

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 Ferrite/RC复合材料的ε'-ε''曲线图((a)~(c))、涡流系数C₀ (d)、衰减系数α (e)和FRC-670的阻抗匹配系数|Z| (f)

Figure 5. ε'-ε'' curves ((a)-(c)), eddy coefficient C₀ (d), attenuation factor α (e) of Ferrite/RC composites and |Z| of FRC-670 (f)

Z_in—Input impedance of the absorber; Z₀—Intrinsic impedance of free space

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 FRC-650、FRC-670、RC690和RC-670的反射损耗值((a)~(d))

Figure 6. Reflection loss values ((a)-(d)) of FRC-650, FRC-670, FRC-690 and RC-670

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 铁氧体/芦苇秆炭(RC) (FRC)复合材料的命名

Table 1 Naming of ferrite/reed charcoal (RC) (FRC) composites

Sample	Carbonization temperature/℃
RC-670	670
FRC-650	650
FRC-670	670
FRC-690	690

下载: 导出CSV

表 2 碳基吸波材料的性能对比

Table 2 Comparison of microwave absorption properties of carbon-based materials

Absorber	RL_min/dB	EAB/GHz	Thickness/mm	Filler loading/wt%	Ref.
FRC-670	−45.7	3.4	1.7	35	This work
FRC-670	−32.1	5.7	2.0	35	This work
Walnut shell-based porous carbon	−42.4	1.8	2.0	70	[35]
Functionalized loofah sponge	−43.8	5.3	3.0	50	[36]
Rice husk-based porous C/Co	−21.8	5.6	1.4	25	[37]
Fe₃O₄@lignin	−29.5	2.0	4.0	20	[38]
NiO/porous carbon	−33.8	6.7	8.0	30	[39]
Wheat straw-derived carbon foam	−37.0	8.8	2.5	10	[40]
Shaddock peel-based CA	−29.5	5.8	1.7	20	[31]
BHPC	−47.46	3.40	2.8	10	[41]
Fe₃C/biochar	−45.6	5.5	4.24	30	[30]
Cotton-derived porous Fe₃O₄/C composite	−22.1	4.4	2.0	50	[42]
NC@Fe₃O₄	−40.3	4.0	2.0	70	[43]
Notes: RL_min—Minimum reflection loss value; EAB—Effective absorption bandwidth; CA—Carbon aerogel; BHPC—Biomass hierarchical porous carbon; NC—Nanoporous carbon.

下载: 导出CSV

参考文献(43)

[1]	LYU H, YAO Y, LI S, et al. Staggered circular nanoporous graphene conerts electromagentic wave into electricity[J]. Nature Communications, 2023, 14: 1982. DOI: 10.1038/s41467-023-37436-6
[2]	YANG B, FANG J, XU C, et al. One-dimensional magnetic FeCoNi alloy toward low-frequency electromagnetic wave absorption[J]. Nano-Micro Letters, 2022, 14(1): 170. DOI: 10.1007/s40820-022-00920-7
[3]	ZHAO X, YAN J, HUANG Y, et al. Magnetic porous CoNi@C derived from bamboo fiber combined with metal-organic-framework for enhanced electromagnetic wave absorption[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 595: 78-87. DOI: 10.1016/j.jcis.2021.03.109
[4]	禹刚, 杨嗣星. 移动电话射频电磁辐射对精子质量影响的研究进展[J]. 安全与环境工程, 2022, 29(5): 22-28, 45. YU Gang, YANG Sixing. Research progress on the effects of radio frequency electromagnetic radiation from mobile phone on sperm quality[J]. Safety and Environmental Engineering, 2022, 29(5): 22-28, 45(in Chinese).
[5]	叶好, 胡平, 王策, 等. 磁性纤维电磁波吸收剂研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(10): 5310-5321. YE Hao, HU Ping, WANG Ce, et al. Advances in research on magnetic fibrous electromagnetic wave absorbers[J]. Chemical Progress, 2023, 42(10): 5310-5321(in Chinese).
[6]	ZHOU X, ZHAO B, LYU H. Low-dimensional cobalt doped carbon composite toward electromagnetic dissipation[J]. Nano Research, 2023, 16: 70-79. DOI: 10.1007/s12274-022-4950-x
[7]	HUANG X, WANG Y, LOU Z, et al. Porous, magnetic carbon derived from bamboo for microwave absorption[J]. Carbon, 2023, 209: 118005. DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118005
[8]	杨喜, 曹敏, 简煜, 等. 多孔木炭/Fe₃O₄复合吸波材料的制备与性能[J]. 复合材料学报, 2022, 39(10): 4590-4601. YANG Xi, CAO Min, JIAN Yu, et al. Preparation and microwave absorption properties of porous charcoal/Fe₃O₄ composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(10): 4590-4601(in Chinese).
[9]	GAO X, WU X, QIU J. High electromagnetic waves absorbing performance of a multilayer-like structure absorber containing activated carbon hollow porous fibers-carbon nanotubes and Fe₃O₄ nanoparticles[J]. Advanced Electronic Materials, 2018, 4(5): 1700565. DOI: 10.1002/aelm.201700565
[10]	LIU Y, FU Y, LIU L, et al. Low-cost carbothermal reduction preparation of monodisperse Fe₃O₄/C core-shell nanosheets for improved microwave absorption[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(19): 16511-16520.
[11]	赵佳, 姚艳青, 杨煊赫, 等. 铁氧体及其复合吸波材料的研究进展[J]. 复合材料学报, 2020, 37(11): 2684-2699. ZHAO Jia, YAO Yanqing, YANG Xuanhe et al. Research progress of ferrite and its composite absorbing materials[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 37(11): 2684-2699(in Chinese).
[12]	SHAO Y Q, LU W B, CHEN H, et al. Flexible ultra-thin Fe₃O₄/MnO₂ coreshell decorated CNT composite with enhanced electromagnetic wave absorption performance[J]. Composites Part B: Engineering, 2018, 144: 111-117. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.02.015
[13]	LIU J, LIANG H, WU H. Hierarchical flower-like Fe₃O₄/MoS₂ composites for selective broadband electromagnetic wave absorption performance[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2020, 130: 105760. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.105760
[14]	XU H, YIN X, ZHU M, et al. Carbon hollow microspheres with a designable mesoporous shell for high-performance electromagnetic wave absorption[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(7): 6332-6341.
[15]	LI G, XIE T, YANG S, et al. Microwave absorption enhancement of porous carbon fibers compared with carbon nanofibers[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(16): 9196-9201. DOI: 10.1021/jp300050u
[16]	ZHAO S, GAO Z, CHEN C, et al. Alternate nonmagnetic and magnetic multilayer nanofilms deposited on carbon nanocoils by atomic layer deposition to tune microwave absorption property[J]. Carbon, 2016, 98: 196-203. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.10.101
[17]	LI J, DUAN Y, LU W, et al. Polyaniline-stabilized electromagnetic wave absorption composites of reduced graphene oxide on magnetic carbon nanotube film[J]. Nanotechnology, 2018, 29(15): 155201. DOI: 10.1088/1361-6528/aaac72
[18]	SHI B, LIU K, CHEN J, et al. Microwave absorption properties of ZnFe₂O₄/graphite composites prepared by high-temperature ball milling[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 905: 164210. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164210
[19]	LYU H, GUO Y, YANG Z, et al. A brief introduction to the fabrication and synthesis of graphene based composites for the realization of electromagnetic absorbing materials[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2017, 5(3): 491-512. DOI: 10.1039/C6TC03026B
[20]	LI B, ZENG Z, QIAO J, et al. Hollow ZnO/Fe₃O₄@C nanofibers for efficient electromagnetic wave absorption[J]. ACS Applied Nano Materials, 2022, 5(8): 11617-11626. DOI: 10.1021/acsanm.2c02616
[21]	WANG X, HUANG X, CHEN Z, et al. Ferromagnetic hierarchical carbon nanofiber bundles derived from natural collagen fibers: Truly lightweight and high-performance microwave absorption materials[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2015, 3(39): 10146-10153. DOI: 10.1039/C5TC02689J
[22]	ZHANG Z, ZHAO Y, LI Z, et al. Synthesis of carbon/SiO₂ core-sheath nanofibers with Co-Fe nanoparticles embedded in via electrospinning for high-performance microwave absorption[J]. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2022, 5: 513-524.
[23]	DAI B, DONG F, WANG H, et al. Fabrication of CuS/Fe₃O₄@polypyrrole flower-like composites for excellent electromagnetic wave absorption[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 634: 481-494. DOI: 10.1016/j.jcis.2022.12.029
[24]	程显彬. Fe₃O₄/介电复合材料的制备与吸波性能研究[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2019. CHENG Xianbin. Preparation and microwave absorption performance of Fe₃O₄/dielectric composites[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2019(in Chinese).
[25]	WANG L, SU S, WANG Y. Fe₃O₄-graphite composites as a microwave absorber with bimodal microwave absorption[J]. ACS Applied Nano Materials, 2022, 5(12): 17565-17575. DOI: 10.1021/acsanm.2c02977
[26]	ZHANG R, WANG L, XU C, et al. Vortex tuning magnetization configurations in porous Fe₃O₄ nanotube with wide microwave absorption frequency[J]. Nano Research, 2022, 15(7): 6743-6750. DOI: 10.1007/s12274-022-4401-8
[27]	白良平. 芦苇多孔材料的水蒸发及水输运机理研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2023. BAI Liangping. Study on water evaporation and transport mechanism of reed porous materials[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2023(in Chinese).
[28]	赵双双, 田中建, 陈嘉川, 等. 碱浸渍对芦苇茎秆微观结构及其机械浆性能的影响[J]. 中国造纸, 2021, 40(3): 20-26. DOI: 10.11980/j.issn.0254-508X.2021.03.004 ZHAO Shuangshuang, TIAN Zhongjian, CHEN Jiachuan, et al. Effect of alkali impregnation on microstructure and mechanical pulp properties of reed stems[J]. China Paper, 2021, 40(3): 20-26(in Chinese). DOI: 10.11980/j.issn.0254-508X.2021.03.004
[29]	YANG X, PANG X, CAO M, et al. Efficient microwave absorption induced by hierarchical pores of reed-derived ultralight carbon materials[J]. Industrial Crops and Products, 2021, 171: 113814. DOI: 10.1016/j.indcrop.2021.113814
[30]	LOU Z, WANG Q, SUN W, et al. Regulating lignin content to obtain excellent bamboo-derived electromagnetic wave absorber with thermal stability[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 430: 133178. DOI: 10.1016/j.cej.2021.133178
[31]	GU W, SHENG J, HUANG Q, et al. Environmentally friendly and multifunctional shaddock peel-based carbon aerogel for thermal-insulation and microwave absorption[J]. Nano-Micro Letters, 2021, 13: 1-14. DOI: 10.1007/s40820-020-00525-y
[32]	HAN M, YANG Y, LIU W, et al. Recent advance in three-dimensional porous carbon materials for electromagnetic wave absorption[J]. Science China Materials, 2022, 65(11): 2911-2935. DOI: 10.1007/s40843-022-2153-7
[33]	LIU X, CUI X, CHEN Y, et al. Modulation of electromagnetic wave absorption by carbon shell thickness in carbon encapsulated magnetite nanospindles-poly (vinylidene fluoride) composites[J]. Carbon, 2015, 95: 870-878. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.036
[34]	ZHANG X J, LYU G C, WANG G S, et al. High-performance microwave absorption of flexible nanocomposites based on flower-like Co superstructures and polyvinylidene fluoride[J]. RSC Advances, 2015, 5(68): 55468-55473. DOI: 10.1039/C5RA06597F
[35]	QIU X, WANG L, ZHU H, et al. Lightweight and efficient microwave absorbing materials based on walnut shell-derived nano-porous carbon[J]. Nanoscale, 2017, 9(22): 7408-7418. DOI: 10.1039/C7NR02628E
[36]	LIU L, YANG S, HU H, et al. Lightweight and efficient microwave-absorbing materials based on loofah-sponge-derived hierarchically porous carbons[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 7(1): 1228-1238.
[37]	FANG J, SHANG Y, CHEN Z, et al. Rice husk-based hierarchically porous carbon and magnetic particles composites for highly efficient electromagnetic wave attenuation[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2017, 5(19): 4695-4705. DOI: 10.1039/C7TC00987A
[38]	PEI W, SHANG W, LIANG C, et al. Using lignin as the precursor to synthesize Fe₃O₄@lignin composite for preparing electromagnetic wave absorbing lignin-phenol-formaldehyde adhesive[J]. Industrial Crops and Products, 2020, 154: 112638. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112638
[39]	WANG H, ZHANG Y, WANG Q, et al. Biomass carbon derived from pine nut shells decorated with NiO nanoflakes for enhanced microwave absorption properties[J]. RSC Advances, 2019, 9(16): 9126-9135. DOI: 10.1039/C9RA00466A
[40]	ASLAM M A, DING W, UR REHMAN S, et al. Low cost 3D bio-carbon foams obtained from wheat straw with broadened bandwidth electromagnetic wave absorption performance[J]. Applied Surface Science, 2021, 543: 148785. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148785
[41]	WU Z, MENG Z, YAO C, et al. Rice husk derived hierarchical porous carbon with lightweight and efficient microwave absorption[J]. Materials Chemistry and Physics, 2022, 275: 125246. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.125246
[42]	FANG Y, XUE W, ZHAO R, et al. Effect of nanoporosity on the electromagnetic wave absorption performance in a biomass-templated Fe₃O₄/C composite: A small-angle neutron scattering study[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2020, 8: 319-327. DOI: 10.1039/C9TC04569D
[43]	ZHOU P , WANG X, WANG L, et al. Walnut shell-derived nanoporous carbon@Fe₃O₄ composites for outstanding microwave absorption performance[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 805: 1071-1080.

施引文献(25)

期刊类型引用(18)

1.	李佳楠，姜亚明，项赫，杨晨. 高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展. 化工新型材料. 2024(01): 1-7 . 百度学术
2.	史俊伟，杨柳，王文贵，荀国立，信泽坤. 孔隙对碳纤维/环氧树脂复合材料剪切性能和破坏模式的影响. 复合材料学报. 2024(09): 5039-5052 . 本站查看
3.	刘鸿森，黄凯，黄金钊，韩晓剑，逯浩，骆杨，张莉，果立成. 考虑温度效应的复合材料紧固结构面外拉脱性能和失效机制. 复合材料学报. 2024(09): 4778-4790 . 本站查看
4.	康沁莹，陈淑仙，崔潇俊，代振帮. 湿热环境对环氧树脂基复合材料拉伸性能的影响. 塑料工业. 2024(09): 117-124 . 百度学术
5.	杨威，颜丙越，夏国巍，尹国华，段祺君，谢军. 纳米SiO_2改性玻璃纤维增强树脂的耐湿热老化性能. 绝缘材料. 2023(10): 50-58 . 百度学术
6.	杜永，马玉娥. 湿热环境下碳纤维环氧树脂复合材料拉伸性能研究. 西北工业大学学报. 2022(01): 33-39 . 百度学术
7.	白桃林，陈普会，孔斌，张雅会，蒋坤，甘建. 湿热环境下聚酰亚胺复合材料的拉脱性能研究. 航空工程进展. 2022(05): 78-85 . 百度学术
8.	苏英贤，孙耀宁，刘伟，孙健，代礼葵. GFRP层合板在湿热环境和碱性腐蚀介质中的老化行为. 合成纤维. 2021(05): 52-57 . 百度学术
9.	王德，张泰峰，高茜，杨晓华. 湿热环境下CFRP复合材料吸湿过程的仿真分析. 计算机仿真. 2021(07): 236-240 . 百度学术
10.	张铁纯，张世秋，王轩，周春苹. 挖补修理复合材料夹芯结构侧向压缩性能研究. 航空科学技术. 2021(08): 1-11 . 百度学术
11.	李过，孙耀宁，王国建，代礼葵. 不同环境因素作用下玻纤/环氧乙烯基酯复合材料的冲蚀行为. 材料导报. 2021(16): 16160-16165 . 百度学术
12.	路鹏程，李志歆，邱运朋，王志平. 湿热环境对碳纤维增强聚苯硫醚层合板感应焊接接头性能的影响. 复合材料学报. 2021(09): 2807-2813 . 本站查看
13.	王一靓，刘婷，左景奇，杨名波，吴祖胜. 特殊环境对玻璃纤维/EP复合材料典型力学性能的影响. 塑料工业. 2021(09): 110-114 . 百度学术
14.	杨春浩，赵洋，肖瑶，行鸿彦，傅正财. 玻璃纤维复合材料在雷电冲击电流下的沿面损伤试验研究. 复合材料科学与工程. 2020(05): 47-52 . 百度学术
15.	祁睿格，何春霞，晋强. 麦秸/聚氯乙烯复合材料新疆户外老化性能. 复合材料学报. 2020(07): 1539-1546 . 本站查看
16.	王国建，孙耀宁，姜宏，李过，代礼葵. 湿热–高温循环老化对环氧乙烯基酯树脂/玻璃纤维复合材料性能影响. 工程塑料应用. 2020(09): 121-126+132 . 百度学术
17.	代礼葵，孙耀宁，王国建. 玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料环境综合因素下的冲蚀行为及机制. 复合材料学报. 2019(09): 2059-2066 . 本站查看
18.	王婷婷，张宝艳，闫鸿琛，石峰晖，马兆丹，李峰. 一种中温透波自黏性树脂及复合材料性能研究. 民用飞机设计与研究. 2019(04): 45-50 . 百度学术

其他类型引用(7)

资源附件(0)

长摘要

目的
电磁污染已成为仅次于水污染和大气污染的新型环境污染源，而解决电磁污染问题的关键在于设计性能优异的吸波材料。铁氧体是一种典型的磁损耗型吸波材料，有着吸收强、成本低、无毒、制备简单等优点。然而，单独使用铁氧体作为吸波材料时阻抗匹配特性较差，存在吸收带宽较窄、密度大、热稳定性不好等问题，限制了其在电磁波吸收领域的实际应用。为了解决铁氧体吸波材料密度大、吸收带宽窄等问题，将碳基材料与铁氧体材料复合制备吸波材料，使铁氧体的磁损耗与碳材料的介电损耗结合，从而达到优势互补的效果，提升材料的吸波性能。
方法
以芦苇茎秆为原料，采用常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC)复合材料，通过调节碳化温度调控复合材料的电磁特性和电磁波吸收性能。首先于烧杯内配置0.01 mol/L的硝酸铁溶液60 ml，然后将2 g芦苇秆放入硝酸铁溶液中室温浸泡20 h后移至电热鼓风干燥箱中60℃烘至绝干，得到混合前驱体。将干燥好的混合前驱体置于刚玉舟内并移至管式炉中，在氮气气氛中以5℃/min速率升温至预设温度(650℃、670℃、690℃)保温2 h后，再以相同的速率降温至100℃，自然冷却至室温后取出样品，得到Ferrite/RC复合吸波材料。使用使用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观形态与结构。采用X射线衍射仪(XRD)分析样品的元素组成。采用热重分析仪(TG)对碳组分和FeO的相对含量进行分析。使用振动样品磁强计(VSM)研究材料的静态磁性能。利用矢量网络分析仪 (VAN) 获取样品测试环在 2~18 GHz 频率范围内的电磁参数()。
结果
① XRD结果显示，样品在2=18.3°、30.1°、35.5°、43.1°、57.0°、62.5°处均可观察到FeO的特征衍射峰(JCPDS No.74-0748)，且几乎所有衍射峰半高宽较小，峰较尖锐，说明芦苇秆炭内成功载入FeO，且得到的复合材料结晶性较好。当碳化温度为690℃时，在2=44°左右出现了Fe的(100)晶面衍射峰 (JCPDS 50-1275)。这可能是因为在较高温度下，Fe被碳元素或热解气体还原生成单质铁。② TG测试结果表明样品中碳组分的相对含量大约是24%，铁氧体大约为74%，二者比例约为1：3。③ 通过SEM可观察到复合材料呈现典型的蜂窝状结构，蜂窝状单元由六边形炭壁围绕而成，其内部为中空通直的管道结构，管道半径约15-30 μm。六边形炭壁上存在一些1~3 μm不等的小孔。芦苇秆炭壁达到了纳米级别，炭壁表面不光滑、有褶皱，纳米FeO颗粒密集有序地固定在芦苇秆碳骨架中。④ TEM结果显示铁氧体纳米颗粒均匀分布在芦苇秆碳骨架中，颗粒大小较为均匀，直径约为20~100 nm。高分辨率TEM图像显示纳米颗粒的条纹间距为0.25 nm，对应于FeO的(311)平面，这与XRD结果相匹配。⑤ 通过VSM得到，FRC-650、FRC-670、FRC-690的饱和磁化强度分别为1.37 emu/g、1.57 emu/g和2.34 emu/g，矫顽力分别为67.98 Oe、60.48 Oe、59.83 Oe。⑥ 通过VNA测试，FRC-650样品在4 mm时具有最低反射损耗峰值()-45.4 dB；厚度为2 mm 时，具有最大的EAB(4.3 GHz)。FRC-670的整体上随厚度减小而增大，它在厚度仅为1.7 mm时的达到 -45.7 dB，对应的EAB为3.4 GHz(14.7-18 GHz)；在厚度为2 mm时的吸收频带最宽，可达5.7 GHz(12.1-17.8 GHz)，对应的为 -32.1dB。FRC-690在1.5 mm厚度下具有最优的吸波性能，对应的最低值与EAB分别为 -18 dB与4.8 GHz。
结论
铁氧体/芦苇秆炭复合材料保留了芦苇杆天然的三维蜂窝状网络结构，FeO及铁纳米颗粒均匀分布在芦苇秆炭壁与孔道中；提升碳化温度(650~690℃)可增大复合材料的电导率与介电损耗能力，但温度过高会导致材料阻抗失配从而降低电磁衰减能力。碳化温度为670℃时制备的复合材料(FRC-670)吸波性能最佳，它在匹配厚度仅为1.7 mm时反射损耗达到 -45.7 dB，对应有效吸收带宽为3.4 GHz；在厚度为2 mm时有效吸收带宽为5.7 GHz(12.1-17.8 GHz)。其主要的电磁波衰减机制源于复合材料良好的电导损耗、极化弛豫损耗以及电损耗与磁损耗的协同作用。

创新点

图(6) / 表(2)

计量

文章访问数: 328
HTML全文浏览量: 208
PDF下载量: 30
被引次数: 25

1. 实验材料及方法
1.1 原材料
1.2 材料制备
1.3 材料表征
2. 结果与讨论
2.1 材料结构与微观形貌
2.2 铁氧体/芦苇秆炭复合材料的电磁参数
2.3 铁氧体/芦苇秆炭复合材料的吸波性能
3. 结论

铁氧体/芦苇秆炭复合材料的制备与吸波性能

通讯作者: 杨喜，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为竹材材性及改良、生物质炭材料 E-mail: yangxijy@126.com

计量

出版历程