梁英杰 ， 吉小利 ， 袁浩澤 ， 馬倩倩

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 ， 安徽 淮南 232001)

0 前言

電磁波的發(fā)現(xiàn)促進了傳輸技術(shù)的發(fā)展，在當(dāng)代社會中扮演著舉足輕重的角色。無線技術(shù)在許多應(yīng)用中占有重要地位，但其對周邊環(huán)境的影響很大，甚至?xí)ζ渌O(shè)備和人體造成很大的影響。所以，尋求一種能夠有效地防止電磁波污染的吸收材料，是當(dāng)前材料化學(xué)中的一個重要課題[1]。

碳化硅是目前較理想的一種半導(dǎo)體材料，具有導(dǎo)熱能力強、機械性能較好、熱膨脹系數(shù)小、熱性能好、物化性質(zhì)穩(wěn)定等特點。在高溫或惡劣的工作環(huán)境中也可以發(fā)揮較大的作用，長期以來人們對碳化硅進行了深入的研究探討[2-3]。鄭?？档萚4]以竹炭為碳來源，在惰性環(huán)境下進行碳熱還原，獲得了念珠碳硅/二氧化硅納米線。當(dāng)試樣的厚度為1.8 mm，在10.62 GHz時，它的RLmin為-43.58 dB，X波段能有效地吸收帶寬(RL<-10 dB)達到了2.32 GHz。但是，為了形成一個高性能的吸波材料，必須對其進行表面修飾，與其他材料進行復(fù)合或摻雜。

碳納米管具有比表面積高、質(zhì)量較輕、導(dǎo)電能力強、機械強度高、耐熱性好、耐腐蝕性能良好等優(yōu)異的物理和化學(xué)特性[5]。然而，一般情況下，碳納米管具有較高的介電常數(shù)值，與其磁導(dǎo)率基本不相搭配。而碳化硅的半導(dǎo)體特性則能調(diào)節(jié)其復(fù)介電常數(shù)，因此利用水熱技術(shù)將兩種材料進行結(jié)合，希望可以獲得良好的吸波性能。

1 實驗部分

1.1 試劑

納米碳化硅(化學(xué)純)、多壁碳納米管(化學(xué)純)，南京先豐納米材料科技有限公司; 硝酸(分析純)，上海博河精細化學(xué)品有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH-550(化學(xué)純)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；草酸(分析純)，阿拉丁試劑有限公司；丙酮(分析純)，上海博河化學(xué)品有限公司；無水乙醇(分析純)，成都華夏化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

80-2離心機，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；KQ 3200E型超聲波清洗機，昆山市超聲儀器有限公司；磁力攪拌器，金壇市杰瑞爾電器有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、聚四氟乙烯反應(yīng)釜，上海予申儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、FA2004B電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 SiC /MWCNTs復(fù)合材料的制備

1.3.1MWCNTs的酸化

用電子天平稱量1 g MWCNTs于250 mL三口燒瓶中，再加上150 mL 65%的濃HNO3，然后用超聲波分散儀器分散10 min，并在60 ℃的水浴鍋中反應(yīng)6 h。在反應(yīng)完成后，放置一會兒，再對上面的廢酸進行處理。之后抽濾、洗滌數(shù)次，在60 ℃的真空烘箱中干燥24 h，就能獲得酸化的MWCNTs。

1.3.2SiC的表面改性

①將稱量好的1 g硅烷偶聯(lián)劑KH-550置于燒杯中，再加上蒸餾水不斷攪拌，在室溫下溶解，通過草酸調(diào)節(jié)溶液的pH值至3.5～6，并將溶液轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，將溶液的質(zhì)量濃度調(diào)整至0.02kg/L。②準(zhǔn)備1 g納米碳化硅以及量取0.5 mL KH-550溶液與29.5 mL的丙酮混合，超聲分散10 min，在30 ℃或室溫下水解24 h；減壓過濾，以無水乙醇和去離子水多次清洗，在60 ℃的真空干燥箱中放置12 h，得到改性的納米碳化硅。

1.3.3SiC/MWCNTs復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)備0.04 g酸化的多壁碳納米管(MWCNTs)，然后將其與60 mL的蒸餾水進行混合，并用超聲波分散15 min，以形成均勻的黑色溶液。在此基礎(chǔ)上，將0.2 g改性后的碳化硅加入到上述得到的黑色溶液中，在室溫下機械攪拌4 h，然后用超聲波振蕩10 min。把分散均勻的混合物溶液遷移入高壓釜里，使其在恒溫100 ℃的烘箱中保持6 h。最后通過自然制冷，使其溫度下降到室溫，并對其進行減壓過濾，以蒸餾水和無水乙醇洗滌多次，并且在60 ℃的烘箱中進行12 h的干燥。

1.3.4物理共混制備SiC/MWCNTs復(fù)合材料

為了更好地與用水熱法得到的復(fù)合材料進行對照，將未經(jīng)酸化的MWCNTs與未經(jīng)改性的SiC按照質(zhì)量比1∶5進行物理混合。將水熱法得到的復(fù)合材料標(biāo)記為S1，而物理混合的復(fù)合材料標(biāo)記為S2。

1.4 樣品表征

1.4.1X-射線衍射表征(XRD)

審題分析 如果是分別取n=1,2,3,那么很容易得出方程組并且解出答案a=3,b=11,c=10.但是如果運用上述方法就不符合題目的相關(guān)要求，但是如果我們通過勾畫出關(guān)鍵詞的方法引導(dǎo)學(xué)生審題就不難發(fā)現(xiàn)，對以上的用特殊方法得出的結(jié)論還需要用數(shù)學(xué)歸納法來證明，這樣才是正確的解答，才是符合題目要求的解答.

XRD通過X射線衍射來分析物質(zhì)，并將得到的圖譜與物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)卡片進行對照比較，來體現(xiàn)其物理結(jié)構(gòu)。實驗條件：Cu靶，Kα=0.154 06 nm，電壓為30 kV，電流設(shè)置為30 mA，掃描的角度10°～80°，掃描速度為2 °/min。

1.4.2FT-IR表征

紅外吸收光譜分析方法是利用物質(zhì)分子對某些特定的光有選擇地吸收的性質(zhì)，定量地分析與鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種方法。通過KBr與被測量樣品的混合壓片(KBr質(zhì)量為200 mg，被測量樣品的質(zhì)量是KBr的1%)來測試的，測試的波數(shù)范圍為500～4 500 cm-1。

1.4.3SEM表征

掃描電子顯微鏡是一種利用二次電子成像來分析得出試樣微觀形貌的方法。測試樣品的制作流程：把少量被測物用超聲波分散到?jīng)]有水的乙醇里，然后滴加到液態(tài)導(dǎo)電膠帶上，將其黏附到試樣臺，并進行干燥。利用S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡來觀測材料的形態(tài)。

1.4.4電磁參數(shù)的測試與吸波性能表征

制作測試樣品的方法：按一定的比例，將被測試材料和石蠟混合(樣品含量為50%)，加熱熔融，用玻璃棒攪拌使其均勻，再用模具將混合物壓成內(nèi)外直徑分別是3.04 mm和7 mm的同軸圓環(huán)，并將同軸環(huán)的厚度磨至2.0 mm。最后，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在2～18 GHz的頻段內(nèi)測定試樣的電磁參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

復(fù)合材料S1的XRD圖見圖1。

圖1 復(fù)合材料S1的XRD圖

由圖1可看到，衍射峰具備良好的尖銳性，由此表明該物質(zhì)具有很好的結(jié)晶性。在掃描角度(2θ)在35.59°、41.38°、59.97°、71.77°和75.49°的衍射特征峰與SiC(111)、(200)、(220)、 (311)和 (222)晶面相對應(yīng)，與 SiC的標(biāo)準(zhǔn)卡片 (JCPDSNo.29-1129)是良好對應(yīng)的[6]。而MWCNTs的衍射峰在該圖譜中沒有顯著地出現(xiàn)，可能是SiC顆粒的衍射強度太大，導(dǎo)致MWCNTs的峰被遮掩。

2.2 FT-IR分析

圖2 復(fù)合材料S1的分子振動光譜紅外圖

2.3 SEM分析

S1的SEM圖見圖3，從圖3中可以看出很多的碳納米管包裹覆蓋在不規(guī)則形狀的塊狀碳化硅上。

圖3 復(fù)合材料S1在不同放大倍數(shù)條件下的SEM圖

2.4 微波吸收性能分析

為了進一步了解SiC/MWCNTs納米復(fù)合材料的微波吸收特性，根據(jù)傳輸線理論，利用下列公式可以得到該微波吸收材料的反射損耗[7]。

RL=20log(ZinZ0)/(Zin+Z0)

(1)

(2)

其中：Zin是微波吸收材料的輸入阻抗，Z0是自由空間阻抗，d為吸波材料的厚度，c代表真空光速，μγ和εγ分別代表的是電磁波吸收體的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，f是入射電磁波的頻率。計算結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)合材料S1 、S2在不同厚度下的反射損耗圖

圖4(a)為S1的反射損耗圖，結(jié)果表明：當(dāng)增大試樣的厚度時，材料的最小反射損耗值對應(yīng)的頻率逐漸由Ku頻帶向X、C頻帶移動，結(jié)果與1/4波長匹配理論相吻合[8-9]。厚度為2 mm時有效吸收帶寬最寬，在8.71～11.07 GHz內(nèi)RL值都比-10 dB低，有效吸收帶寬為2.36 GHz；在試樣厚度為6 mm，頻率為3.21 GHz時，RLmin為-36.91 dB。而在物理混合所得到的復(fù)合材料S2的反射損耗圖中，最大的反射損耗值比S1要小得多，而在試樣厚度為5.5 mm，17.83 GHz時，RLmin為-12.66 dB。S1、S2的阻抗匹配和衰減常數(shù)見圖5。

圖5(a)為樣品S1、S2的阻抗匹配圖。

圖5 S1、S2的阻抗匹配和衰減常數(shù)

3 結(jié)論

本文通過對納米SiC和MWCNTs分別進行表面改性修飾，利用水熱法制備了SiC/MWCNTs納米復(fù)合材料，在樣品為2 mm的厚度下，最寬的有效頻帶寬度范圍為8.71～11.07 GHz，而且在3.21 GHz時RL值達到最小(-36.91 dB)，性能要比物理混合得到的復(fù)合材料好得多。