一种负载氧化镍/镍多孔纳米片碳纤维基复合吸波材料的制作方法

1.本发明属于吸波材料技术领域，涉及一种负载氧化镍/镍多孔纳米片碳纤维基复合吸波材料。


背景技术：

2.随着微波和通讯技术的飞速发展，特别是移动通信、计算机、家用电器的日益普及，日趋严峻的电磁污染对环境和生物安全的威胁日益被人们重视。研究发现，高频电磁波对生物肌体细胞、神经系统、循环系统、免疫、生殖和代谢功能具有极强的辐射伤害，对公众身体有着长期潜在的威胁和影响。另外，随着吉赫兹（ghz）频率范围的电磁波在探测，成像，制导等领域的广泛应用，军事上的电子对抗与武器装备的突防隐身成为了现代战争中制胜的关键法宝。吸收材料可以有效地吸收电磁波的能量，在民用和军事领域得到了广泛的应用。吸波材料的需求量逐年快速增加，同时对吸波材料的性能要求也越来越高。因此，高性能微波吸收材料研发已成为全球高科技研究的重要课题。
3.传统的金属基磁性材料，如铁氧体、金属粉末，由于磁性强、磁损耗大、成本低，在某些特殊频率具有较强的吸波能力。但其高密度、易团聚、吸波频带窄和耐候性差等缺点限制了铁磁性材料作为高性能吸波材料的应用。新型的碳材料如石墨烯、碳纳米管、介孔碳、碳纤维等因其优异的介电性能、良好的复合特性、特殊的微观结构、较低的比重、较强的化学稳定性以及使用便捷、维护简单等优点，在微波吸收领域有着广阔的应用前景，已逐渐成为学界与工业界所追逐的热点研究对象与应用方向。其中碳纤维吸波材料具有独特的形状各向异性和机械性能，提供了真正可替代金属作为主承力构件的结构材料，是一类很有发展前景的吸波材料。但组分形貌单一的碳纤维电阻率较低，导致其阻抗匹配特性较差，是微波的强反射体，适合作为吸波材料的导电性反射材料和增强体而非吸收体。因此要想获得更高效的微波吸收的碳纤维材料就要对其进行特殊处理，包括表面处理、复合其他吸波材料或对其进行微观结构设计。利用一维结构的碳纤维为模板，原位生长特殊结构的金属或金属氧化 物，构筑多级异质纳米结构，获得多级异质纳米结构碳纤维基复合物。其研究意义体现在优化制备参数，保持稳定的多级异质纳米结构，合适的提高体系的磁导率、降低碳纤维介电常数，提升碳纤维阻抗匹配特性，从而实现电磁波的高效吸收。


技术实现要素：

4.本发明要解决目前碳纤维吸波材料存在损耗机制单一，阻抗匹配差的缺点以及二次复合过程中碳纤维易出现团聚的问题而提供碳纤维基复合吸波材料及其制备方法。
5.一种是以碳纤维为基体复合氧化镍/镍纳米片而制成的吸波材料。
6.上述一种负载氧化镍/镍多孔纳米片碳纤维制备方法，具体是按照以下步骤进行的：（1）将碳纤维浸入ni(no3)2·
6h2o和hmt的混合溶液中浸泡30~60 min，随后将溶液转移至高压反应釜中进行反应。控制温度为80～160 ℃，反应时间为6～18 h。经干燥后得
到碳纤维/氢氧化镍复合材料；（2）对步骤（1）中获得的碳纤维/氢氧化镍复合材料进行退火处理，控制退火温度为300～800 ℃，退火时间为2～6 h得到负载氧化镍/镍多孔纳米片的碳纤维基复合吸波材料。
7.在本发明中采用了碳纤维与氧化镍/镍多孔纳米片复合材料作为吸波材料，碳纤维表面氧化镍/镍多孔纳米片能够降低碳纤维的介电常数，提升复合材料阻抗匹配特性。
8.本发明的有益效果是：（1）氧化镍/镍纳米片相互连接形成三维的蜂窝结构有利于电磁波的多次折射和散射；（2）氧化镍/镍多孔纳米片能够修饰碳纤维的电子结构，调节碳纤维复合材料的电导率，提高碳纤维的阻抗匹配率；（3）大量的异质界面能够诱导复合材料的界面极化有助于电磁波的损耗。
9.本发明用于制备的碳纤维基复合吸波材料。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为实例三制备的碳纤维/氧化镍/镍复合吸波材料的xrd图；图2为实例三制备的碳纤维/氧化镍/镍复合吸波材料的sem图；图3为实例三制备的碳纤维/氧化镍/镍复合吸波材料的吸波性能图。
12.采用以下实施例验证本发明的有益效果。
具体实施方式
13.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.为了提高碳纤维的微波吸收性能，可将其与其它吸波材料复合，充分利用多组分的协同作用来改善复合材料阻抗匹配特性。
15.本发明实施例，一方面，在碳纤维表面构建三维异质结构的氧化镍/镍纳米，如图2可知，上述氧化镍/镍纳米片相互连接形成三维蜂窝结构。氧化镍/镍纳米片呈现多孔结构。而且金属镍具有一定磁性能够提供一定磁损耗与碳纤维的介电损耗互补大大提升了复合材料微波吸收性能。另一方面本发明实施例还提供了上述碳纤维基复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：（1）碳纤维清洗：将0.5～2 g碳纤维分别放入丙酮、盐酸 (3 m)、无水乙醇和去离子水中，依次各超声10~60 min，以除去其表面的氧化物和杂质；（2）制备碳纤维/氢氧化镍复合材料：称取0.116～1.16 g ni(no3)2·
6h2o和0.28
～2.8 g hmt加入30 ml去离子水搅拌10～30 min，然后将清洗干净的碳纤维0.01～0.1 g浸入溶液中30～60 min，随后将溶液转移至高压反应釜中进行反应，待反应釜自然冷却至室温后，产物用去离子水和乙醇清洗数次，在60～80 ℃下真空干燥12～24 h，待冷却后备用；（3）制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料：将上述步骤二制备得到的碳纤维/氢氧化镍放入方形瓷舟中并置于管式炉中设定程序2～5 ℃/min从室温升至300～800 ℃并在目标温度下保持2～6 h，待管式炉自然冷却至室温后得到碳纤维/氧化镍/镍复合材料。
16.在具体实施过程中步骤（1）中，清洗碳纤维是为了去除碳纤维表面的有机物和氧化物等杂质。步骤（2）中的干燥工艺，本领域技术人员可以根据需要选择具体的干燥工艺，优选为真空干燥。
17.本发明实施例以碳纤维为基底、通过水热法合成出碳纤维/氢氧化镍材料，随后再利用高温退火方法制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料。本发明实施例中使用的原料、设备和工艺过程简单，成本低廉、操作简单安全、成本低，无毒无害、清洁环保。
18.实例一（1）碳纤维清洗：将1g碳纤维依次放入50 ml丙酮、50 ml盐酸(3 m)、50 ml无水乙醇和50 ml去离子水中超声清洗30 min，以除去其表面的氧化物和杂质；（2）制备碳纤维/氢氧化镍：称取0.58 g ni(no3)2·
6h2o和1.4 g hmt加入30 ml去离子水搅拌10 min，然后将清洗干净的碳纤维0.05 g浸入溶液中30 min，随后将溶液转移至高压反应釜中90 ℃下水热反应9 h，待反应釜自然冷却至室温后，产物用去离子水和乙醇清洗数次，在60 ℃下真空干燥12 h；（3）制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料：将上述步骤二制备得到的碳纤维/氢氧化镍放入方形瓷舟中并置于管式炉中设定程序2 ℃/min从室温升至300 ℃并保持2 h，待管式炉自然冷却至室温后得到碳纤维/氧化镍/镍复合材料（记为样品1）。
19.实例二（1）碳纤维清洗：将1g碳纤维依次放入50 ml丙酮、50 ml盐酸(3 m)、50 ml无水乙醇和50 ml去离子水中超声清洗30 min，以除去其表面的氧化物和杂质；（2）制备碳纤维/氢氧化镍：称取0.58 g ni(no3)2·
6h2o和1.4 g hmt加入30 ml去离子水搅拌10 min，然后将清洗干净的碳纤维0.05 g浸入溶液中30 min，随后将溶液转移至高压反应釜中90 ℃下水热反应9 h，待反应釜自然冷却至室温后，产物用去离子水和乙醇清洗数次，在60 ℃下真空干燥12 h；（3）制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料：将上述步骤二制备得到的碳纤维/氢氧化镍放入方形瓷舟中并置于管式炉中设定程序2 ℃/min从室温升至400 ℃并保持2 h，待管式炉自然冷却至室温后得到碳纤维/氧化镍/镍复合材料（记为样品2）。
20.实例三（1）碳纤维清洗：将1g碳纤维依次放入50 ml丙酮、50 ml盐酸(3 m)、50 ml无水乙醇和50 ml去离子水中超声清洗30 min，以除去其表面的氧化物和杂质；（2）制备碳纤维/氢氧化镍：称取0.58 g ni(no3)2·
6h2o和1.4 g hmt加入30 ml去离子水搅拌10 min，然后将清洗干净的碳纤维0.05 g浸入溶液中30 min，随后将溶液转移至高压反应釜中90 ℃下水热反应9 h，待反应釜自然冷却至室温后，产物用去离子水和乙
醇清洗数次，在60 ℃下真空干燥12 h；（3）制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料：将上述步骤二制备得到的碳纤维/氢氧化镍放入方形瓷舟中并置于管式炉中设定程序2 ℃/min从室温升至500 ℃并保持2 h，待管式炉自然冷却至室温后得到碳纤维/氧化镍/镍复合材料（记为样品3）。
21.实例四（1）碳纤维清洗：将1g碳纤维依次放入50 ml丙酮、50 ml盐酸(3 m)、50 ml无水乙醇和50 ml去离子水中超声清洗30 min，以除去其表面的氧化物和杂质；（2）制备碳纤维/氢氧化镍：称取0.58 g ni(no3)2·
6h2o和1.4 g hmt加入30 ml去离子水搅拌10 min，然后将清洗干净的碳纤维0.05 g浸入溶液中30 min，随后将溶液转移至高压反应釜中90 ℃下水热反应9 h，待反应釜自然冷却至室温后，产物用去离子水和乙醇清洗数次，在60 ℃下真空干燥12 h；（3）制备碳纤维/氧化镍/镍复合材料：将上述步骤二制备得到的碳纤维/氢氧化镍放入方形瓷舟中并置于管式炉中设定程序2 ℃/min从室温升至600 ℃并保持2 h，待管式炉自然冷却至室温后得到碳纤维/氧化镍/镍复合材料（记为样品4）。
22.试验例一以实例三为例，对所得碳纤维/氧化镍/镍复合材料（样品4）的物相进行xrd分析，其xrd衍射图谱如图1所示，从xrd图谱中的衍射峰可以看出复合材料是由碳，氧化镍和镍组成。
23.试验例二以实例三为例，对所得碳纤维/氧化镍/镍复合材料（样品4）的形貌sem观察，其sem图如图2所示，可以看出碳纤维表面由相互连接的纳米片组成的三维蜂窝结构。
24.试验例三以实例三为例，对所得碳纤维/氧化镍/镍复合材料（样品4）的微波吸收性能进行测试。
25.制备碳纤维/氧化镍/镍与石蜡的复合材料：按照质量占比称量3wt%的碳纤维/氧化镍/镍和97wt%的石蜡置于30 ml坩埚中置于80 ℃烘箱中保温10 min左右使石蜡完全熔化，取出坩埚充分搅拌分散，待石蜡凝固后，将样品置入自制的不锈钢模具，制备成内径3.04 mm，外径7 mm的待测样品，经过不同型号的砂纸打磨，最终制成2 mm的同心圆环样品。
26.利用矢量网络分析仪测试样品在2-18 ghz频率范围内的电磁参数，并根据传输线理论进行仿真计算。
27.仿真结果如图3所示，结果表明碳纤维/氧化镍/镍复合材料在1.6 mm的厚度下对应频率为17.72 ghz频率时反射损耗最大可达-43.9 db，单一厚度下的最大有效吸收频率带宽（反射损耗小于-10 db）可达5.48 ghz。
28.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。