本發(fā)明涉及新材料制備，尤其涉及一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著高新技術(shù)，特別是通信技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的高頻電子及電器設(shè)備給人們的生活帶來了巨大的便利的同時，也帶來一定的電磁污染。來自各種電子和電氣設(shè)備的電磁能量的輻射，有可能對人的身體健康產(chǎn)生威脅。此外，在軍事上，電磁輻射或反射容易導(dǎo)致己方的軍事設(shè)備被敵方的雷達(dá)探知從而遭受打擊。因此，無論是在民用還是軍事上，都需要開發(fā)輕質(zhì)高效的電磁波吸收材料。

2、碳納米材料(如碳納米管、石墨烯及螺旋碳納米管)，由于其物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電導(dǎo)率高，比表面積大等突出優(yōu)點，有望成為極具應(yīng)用前景的優(yōu)異電磁波吸收材料。但是碳納米材料過高的電導(dǎo)率，單一的損耗機制嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用，特別是過強的反射特性使得入射電磁波很難進(jìn)入材料內(nèi)部，因此很難被耗散。為解決上述問題，通常采用兩種策略：一是與磁性顆粒，如鐵、鈷、鎳及其化合物復(fù)合，引入磁損耗，并提升材料阻抗匹配特性。但是，磁性顆粒本身密度較大，會使得碳材料/磁性顆粒復(fù)合材料無法滿足日益提高的輕量化需求。另一策略是合理設(shè)計多維度、多尺度集成材料，從而使材料產(chǎn)生多界面極化并引入極化損耗。同時，誘導(dǎo)多重散射，為電磁波的反射和衰減提供額外途徑，從而豐富導(dǎo)電機制。此外，多維度集成還能充分發(fā)揮碳材料輕量化的優(yōu)勢，實現(xiàn)低填充量下的輕質(zhì)高效電磁波吸收。因此設(shè)計合成新穎的多維度集成材料是目前研究的重中之重。

3、二維片狀材料，如邁科烯(mxene)、石墨烯和碳微米片，因其重量輕、獨特的層狀結(jié)構(gòu)可增強多重散射和豐富的極化位點而增加極化損耗，常用于多尺度和多維吸波材料。然而，這些二維薄片材料存在易聚集的問題，限制了均勻分散復(fù)合材料的形成。

4、螺旋碳納米管(ccnt)因其獨特的螺旋結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的分散性和適中的介電性能，在電磁波吸收中獲得了良好的應(yīng)用前景。在宏觀層面，ccnt的長度可達(dá)100微米，形成一維線狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于載流子傳輸過程中的導(dǎo)電損耗。在微觀層面，ccnt呈三維螺旋結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)交叉極化。ccnt之間的三維螺旋點對點接觸可防止聚集，從而形成均勻分散的復(fù)合材料。非晶－多晶結(jié)構(gòu)使它們具有適度的介電性能，并改善了阻抗匹配。因此，將二維片狀碳微米片(cms)與“一維線-三維螺旋”螺旋碳納米管(ccnt)集成起來，是一種非常有前景的方法，既可解決二維片狀材料地團(tuán)聚問題，也可以豐富損耗機制，實現(xiàn)輕質(zhì)高效的電磁波吸收。

5、為此，我們提出一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要是解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題，提供一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料及其制備方法和應(yīng)用。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案，一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料，以螺旋碳納米管(ccnt)為基本載體，具有一維線型結(jié)構(gòu)、二維片狀結(jié)構(gòu)和三維螺旋結(jié)構(gòu)的多維集成結(jié)構(gòu)；

3、所述一維線型結(jié)構(gòu)來源于長度為1-300微米的螺旋碳納米管(ccnt)在宏觀上形成的線型導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；

4、所述二維片狀結(jié)構(gòu)來源于直接集成于螺旋碳納米管(ccnt)上的碳微米片(cms)；

5、所述三維螺旋結(jié)構(gòu)來自螺旋碳納米管(ccnt)的微觀形貌，是以螺旋碳納米管(ccnt)為一維線－三維螺旋，直接生長二維片碳微米片(cms)的多維集成結(jié)構(gòu)。

6、一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，包括上述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料，具體分為以下制備步驟：

7、第一步：利用溶劑熱法、水熱法或物理氣相沉積法在螺旋碳納米管(ccnt)表面復(fù)合催化劑顆粒，其中螺旋碳納米管長度為1-300微米、線圈徑為10-1000納米，最終形成的催化劑顆粒可以是單元素cu、fe、co、ni及其氧化物，或cu、fe、co、ni多元素復(fù)合物或合金；

8、第二步：利用化學(xué)氣相沉積法生長碳微米片。

9、作為對上述方案的進(jìn)一步限定，所述第一步中溶劑熱法或水熱法反應(yīng)的溫度為20～200℃，反應(yīng)時間為2～30h。

10、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述第一步中的物理氣相沉積法包括磁控濺射法、熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法和原子層沉積法中的任意一種。

11、作為對上述方案的進(jìn)一步限定，所述磁控濺射法的濺射功率為10～100w，濺射時長1～100s。

12、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述化學(xué)氣相沉積法的條件如下：化學(xué)氣相沉積法的反應(yīng)溫度為50～1100℃，反應(yīng)時間為10～900s。

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述化學(xué)氣相沉積中反應(yīng)氣體包括惰性氣體和碳源氣體，惰性氣體與碳源氣體通入流量比為50:1～10:1。

14、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳源氣體包括甲烷、乙炔、乙烯和乙醇中的任意一種。

15、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述惰性氣體包括氬氣和氮氣中的任意一種。

16、一種上述螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的應(yīng)用，將所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料應(yīng)用于電磁波吸收領(lǐng)域。

17、本發(fā)明提供了一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料及其制備方法和應(yīng)用。具備以下有益效果：

18、1、本發(fā)明具有吸收頻帶寬，吸收強度大、輕質(zhì)高效等優(yōu)點。設(shè)計并合成了“一維線-二維片-三維螺旋”集成吸波材料。螺旋碳納米管(ccnt)形成了一維線狀宏觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于導(dǎo)電損耗。螺旋碳納米管(ccnt)還表現(xiàn)出微觀三維螺旋結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)交叉極化并防止二維碳片聚集。具有平面形態(tài)的二維碳微米片(cms)有利于增強微波的多重散射。同時，cms與螺旋碳納米管(ccnt)之間的交界處會產(chǎn)生許多極化點，從而增強界面極化，與簡單合成不同，“一維線－二維片－三維螺旋”，各維度材料之間獨特的電子遷移/跳躍路徑也會造成導(dǎo)電損耗，不同損耗機制產(chǎn)生協(xié)同增強效果，從而提高復(fù)合材料的吸波性能。

19、2、本發(fā)明僅通過水熱/溶劑熱法或物理氣相沉積技術(shù)(熱蒸鍍、磁控濺射)以及化學(xué)氣相沉積技術(shù)便可合成出多維度集成吸波材料，制備工藝簡單易行，對實驗條件要求較低，實驗原料廉價易得，適宜大量制備。

20、3、本發(fā)明從電磁損耗機制的角度出發(fā)，首次提出利用手性螺旋ccnt與二維片狀碳微米片(cms)復(fù)合，增強材料的吸波性能，得到的ccnt/cms集成材料既保持了基體螺旋碳納米管的輕質(zhì)特性和本身的電磁損耗機制，同時又優(yōu)化了材料的阻抗匹配特性，增加了界面極化、多重散射等新的損耗機制。

21、4、本發(fā)明所制備的ccnt/cms集成材料能夠有效吸收電磁波，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料的厚度，吸收頻段可覆蓋雷達(dá)波段的c、x、ku波段以及絕大部分的s波段，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料，其特征在于，以螺旋碳納米管(ccnt)為基本載體，具有一維線型結(jié)構(gòu)、二維片狀結(jié)構(gòu)和三維螺旋結(jié)構(gòu)的多維集成結(jié)構(gòu)；

2.一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于，包括權(quán)利要求1所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料，具體分為以下制備步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述第一步中溶劑熱法或水熱法反應(yīng)的溫度為20～200℃，反應(yīng)時間為2～30h。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述第一步中的物理氣相沉積法包括磁控濺射法、熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法和原子層沉積法中的任意一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述磁控濺射法的濺射功率為10～100w，濺射時長1～100s。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述化學(xué)氣相沉積法的條件如下：化學(xué)氣相沉積法的反應(yīng)溫度為50～1100℃，反應(yīng)時間為10～900s。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述化學(xué)氣相沉積中反應(yīng)氣體包括惰性氣體和碳源氣體，惰性氣體與碳源氣體通入流量比為50:1～10:1。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述碳源氣體包括甲烷、乙炔、乙烯和乙醇中的任意一種。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的制備方法，其特征在于：所述惰性氣體包括氬氣和氮氣中的任意一種。

10.一種如權(quán)利要求1所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料的應(yīng)用，其特征在于，將所述的螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料應(yīng)用于電磁波吸收領(lǐng)域。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，且公開了一種螺旋碳納米管/碳微米片多維集成材料及其制備方法和應(yīng)用，多維集成材料具有一維線型結(jié)構(gòu)、二維片狀結(jié)構(gòu)和三維螺旋結(jié)構(gòu)的多維集成結(jié)構(gòu)，一維線型結(jié)構(gòu)來源于長度為1?300微米的螺旋碳納米管(CCNT)在宏觀上形成的線型導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，二維片狀結(jié)構(gòu)來源于直接集成于螺旋碳納米管(CCNT)上的碳微米片(CMS)，三維螺旋結(jié)構(gòu)來自螺旋碳納米管(CCNT)的微觀形貌。本發(fā)明的“一維線?二維片?三維螺旋”集成吸波材料，通過化學(xué)氣相沉積法對碳微米片的生長情況進(jìn)行調(diào)控，從而優(yōu)化了材料的阻抗匹配特性，豐富了吸波機制，實現(xiàn)輕質(zhì)寬頻吸波特性。

技術(shù)研發(fā)人員：潘路軍,孫琛,姜天明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14