磁性Fe3C负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法

本发明涉及电磁波吸收材料，特别涉及磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法。

背景技术：

1、近年来，电子设备作为一种信息传播媒介，在军事、民用、航天以及日常生活中都得到了广泛的应用；尤其是新一代5g通讯时代的到来，其传输速度更快、网络容量更大、时延更短，进一步增加生活便利性。但随之而来的电磁干扰和电磁辐射危害也不容忽视。一方面，它会干扰精密设备的正常运行，降低精密设备的精确度甚至失效，也有可能会导致信息泄密。另一方面，直接的电磁辐射会对人体产生热效应，长期承受电磁辐射会对人体的神经、生殖以及心血管系统造成损害。美国国立卫生研究院发现电磁辐射对大鼠有明确的致癌作用，国内的施一公团队也发现电磁辐射对小鼠的睡眠有很大影响。因此具有“薄、轻、宽、强”新型电磁波吸收材料的开发与吸波机理的研究已成为当前的研究热点。

2、静电纺丝法具有设备简单、操作方便、制备周期短、纤维可设计性强等优点。一维纳米纤维材料具有普通纳米粒子的量子尺寸效应和宏观量子隧穿效应，同时还具有很强的形状各向异性，能够突破各向同性粉体材料对电磁性能的限制。同时，静电纺丝法制备的碳基纳米纤维具有密度小，比表面积高的特点，能够很好的契合吸波材料“薄、轻、宽、强”的需求。将磁性组分负载至碳基纳米纤维中，同时进行中空结构设计，不仅是从组分上优化了阻抗匹配特性，而且中空的一维纤维结构不仅提高了不同组分之间的异质界面效应，还增加了电磁波在中空纤维内部的多重反射，优化了复合材料的电磁波吸收性能。本发明中通过同轴静电纺丝技术将fe3o4掺入聚合物纤维中，辅以固化烧结方法，使得该材料在电磁波损耗方面表现出很好的效果。本发明为电磁波吸收材料开辟了新的领域，并且成功将磁性碳纤维材料的应用拓展到光催化及太阳能电池以外的其他领域。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，该复合材料以聚合物为前驱体通过同轴静电纺丝法制备、固化烧结生成，独特的结构提供了更多的异质界面，异质界面的形成增强了界面极化，中空的结构更是增强了电磁波的多次反射，提高了材料的阻抗匹配特性，因此该材料获得了优于其他碳基纤维复合材料的良好吸波性能。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，该方法为：

3、s1、将不同的聚合物分别加入到一定量的dmf溶液中，磁力搅拌后得到均匀的核、壳溶液；

4、s2、然后在不同的均匀的溶液中加入一定量的fe3o4，磁力搅拌得到两种均匀的褐色纺丝液；

5、s3、两种纺丝液分别转移至一次性注射器中，使用同轴针头静电纺丝获得灰色的纤维膜，灰色的纤维膜置于真空烘箱中烘干去除溶剂。

6、s4、烘干后的纤维膜在中空气环境下280℃固化，固化后的纤维样品在氮气气氛下，800℃下烧结3h(升温速率为5℃/min)，得到黑色的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料。

7、优选的，s1中所述的聚合物分别为ps和pan；与dmf溶液的固溶比皆为20％。

8、优选的，s1中所述dmf溶液的质量皆为30g。

9、优选的，s1中所述磁力搅拌的转速为500r/min～600r/min，所述磁力搅拌的时间为5h；s2中所述磁力搅拌的转速为500r/min～600r/min，所述磁力搅拌的时间为12h。

10、优选的，s3中真空烘箱的温度为70℃，真空度为1bar，烘干的时间为12h。

11、优选的，s4中固化的温度为280℃，固化的时间为2h，气氛为空气气氛。

12、优选的，s3中所述静电纺丝条件为：18kv的电压，22+20号同轴针头，滚筒接收器转动速度为100r/min，环境温度为30℃，环境湿度为20％。

13、优选的，s4中所述固化过程在马弗炉中进行。

14、优选的，s4中所述烧结在管式炉中进行。

15、优选的，s4中所述黑色薄膜为磁性中空碳基纳米纤维，平均直径为800-1000nm。

16、优选的，磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料可以应用在可吸收电磁波的材料中。

17、优选的，所述，磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的有效吸收频宽为2-4ghz，反射损耗值为40-50db。

18、本发明与现有技术相比具有以下优点：

19、本发明以fe3o4与聚合物为前驱体，以dmf为溶剂，使用同轴静电纺丝法制备了磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料，经过烧结热解的过程增强了纤维的稳定性，该中空的结构不仅具有丰富的异质界面从而提高了材料的界面极化，多孔的纤维结构还提高了电磁波的多次反射能力，拓展了碳基纳米纤维复合吸波材料的应用领域。该材料的制备方法简单，原料成本低，设备技术要求建议，有益于降低材料制备过程中的成本，还能通过改变fe3o4引入的区域获得不同的纤维材料，可以有效的降低复合材料的填充量，具有很大的应用前景。

技术特征：

1.磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：该方法为：

2.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于s1中所述的聚合物分别为ps和pan；与dmf溶液的固溶比皆为20％。

3.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s1中所述dmf溶液的质量皆为30g。

4.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s1中所述磁力搅拌的转速为500r/min～600r/min，所述磁力搅拌的时间为5h；s2中所述磁力搅拌的转速为500r/min～600r/min，所述磁力搅拌的时间为12h。

5.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s3中真空烘箱的温度为70℃，真空度为1bar，烘干的时间为12h，s4中固化的温度为280℃，固化的时间为2h，气氛为空气气氛。

6.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s3中所述静电纺丝条件为：18kv的电压，22+20号同轴针头，滚筒接收器转动速度为100r/min，环境温度为30℃，环境湿度为20％。

7.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s4中所述固化过程在马弗炉中进行，s4中所述烧结在管式炉中进行。

8.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：s4中所述黑色薄膜为磁性中空碳基纳米纤维，平均直径为800-1000nm。

9.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料可以应用在可吸收电磁波的材料中。

10.根据权利要求1所述的磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述磁性fe3c负载中空碳基纳米纤维复合材料的有效吸收频宽为2-4ghz，反射损耗值为40-50db。

技术总结
本发明提供了磁性Fe3C负载中空碳基纳米纤维复合材料的制备方法。该方法为：将PS和PVP分别加入到DMF中，使用磁力搅拌使其溶解，溶解后在PS和DMF的混合液中加入Fe3O4，继续磁力搅拌24小时，混合均匀后将得到的液体转移至一次性注射器中，使用静电纺丝技术进行纺丝6小时，得到前驱体纤维。前驱体纤维在280℃下、空气气氛中固化2小时，固化后的纤维在800℃下、氮气气氛中烧结3小时，得到黑色的磁性Fe3C负载中空碳基纳米纤维复合材料。此外本发明还提供了该材料的应用，可将其应用在电磁波吸收材料中。本发明为电磁波材料开辟了新的领域，并且成功将多级结构纤维材料的应用拓展到光催化及太阳能电池以外的其他领域。

技术研发人员：王杨升,王焱,王广胜,张梦梦,王雅芳,雍欢,黄梦林,杨璐遥,季静欣
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29