本发明涉及一种多孔碳负载纳米镍吸波材料及其制备方法，属于微波吸收材料领域。
背景技术：
随着电子科学技术的迅猛发展，以及电子电气设备、无线通信系统、雷达隐身技术的普遍应用，电磁污染和干扰问题变得越来越严重，使得电磁波吸收材的研究受到越来越多的关注。吸波材料不论是在民用还是军事上的使用也越来越广泛，对吸波材料的性能要求也越来越高。除了要求有较高的吸收量外，还要求材料厚度尽量薄、质量尽可能轻、吸收频带尽可能宽。研究发现，吸波剂的复介电常数、复磁导率和电磁阻抗匹配共同决定了它的电磁性能，单独的介电损耗材料和磁损耗材料很难达到电磁阻抗匹配。因此，包含磁性成分和介电成分的复合物吸波材料成了近年来的研究热点，因为这些材料能够有效地结合磁性材料的磁损耗和介电材料的介电损耗，有利于提高材料的微波吸收能力，并满足吸波材料的综合使用要求。
近些年来，碳材料由于其优异的介电性能和低密度受到吸波材料研究者的广泛关注。将磁性纳米材料和碳材料相结合，不仅可以克服铁氧体、磁性金属、合金等磁性材料密度大的缺陷，而且可以提高电磁匹配，实现比单一吸波材料更为优异的电磁波吸收。当前，制备磁性材料/碳复合吸波材料所用到的碳材料主要为碳纤维、碳纳米管和石墨烯等，将磁性材料和碳材料复合的方法主要包括化学气相沉积、化学镀、电镀和原子层沉积等。然而，现有的工艺方法难以实现这些材料的低成本与高产率制备，原料便宜、流程简单、绿色环保以及产率较高的制备方法是碳基微波吸收材料开发和应用的关键。
棉花在我国有着广泛的种植范围，成本低廉。此外，棉花主要成分为是纤维素，约占总重的98wt%，含无机杂质非常少。在真空或惰性气氛下，棉纤维木质成分（纤维素、半纤维素和木质素）中会发生一系列的反应，如脱水、降解、脱氢、碳化等，有机分子逐渐解聚成为小分子。一些气体挥发物，如co2、h2o、ch4等逐渐产生且大部分释放出来，最后只留下多孔的无定形碳，但植物材料的整体结构并没有被破坏，它能完好地遗留下来。另外，研究发现，多孔结构对电磁波吸收存在显著影响,这种微波吸收性质的改善主要来源于电磁波在多孔介质的反射和散射。因此，多孔结构一方面具有轻质的优势，另一方面表现为介电常数实部变小并且损耗增大，既有利于吸波材料阻抗匹配，又有助于能量损耗和调节材料电磁参数。
镍纳米颗粒的磁导率较高，并且介电常数较大，可以通过对镍纳米颗粒负载量和粒度的可控制备来调节碳基复合材料的电磁参数，这个特点有利于展宽吸波剂的频带。另外，脱脂棉非常蓬松，并且表面亲水性好，有利于金属盐的负载。可以设想选取脱脂棉为碳源，利用化学和物理方法保留棉纤维原有的一维多孔结构，并通过调控工艺条件组装各种所需的纳米镍磁性成分，可制备结构和材料双重效应的新型电磁吸波材料。这不但能克服碳纤维作为微波吸收材料的缺点，拓宽生物质材料的应用范围，而且能为碳基吸波材料的研制提供新的思路和途径。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种多孔碳负载纳米镍吸波材料及其制备方法。
本发明以脱脂棉为碳源，通过引入具有催化碳纳米结构形成、生长的镍盐前驱体，控制镍盐的浓度以及热分解的温度和时间，制备出不同粒径和镍负载量的纳米镍/多孔碳复合材料，并将此材料应用于微波吸收领域，为获得廉价、轻质、高效的微波吸收材料提供理论依据和实验依据。
本发明提供了一种多孔碳负载纳米镍吸波材料，以脱脂棉为碳源，通过浸渍和碳热还原相结合的方法，在多孔碳上负载粒径和负载量可调的镍纳米颗粒，得到多孔碳负载纳米镍吸波材料。
本发明所使用的碳源是医用脱脂棉，镍纳米颗粒来源于镍盐，所使用的镍盐为硝酸镍或硫酸镍，硝酸镍包括硝酸镍及其水合物（ni(no3)2或者ni(no3)2·6h2o）；硫酸镍包括硫酸镍及其水合物（niso4、niso4·6h2o或niso4·7h2o）。二者的比例为：0.01–100g脱脂棉溶于0.0001mol/l–2mol/l的镍盐溶液中，保证脱脂棉完全浸没在溶液中。
本发明提供了上述的多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，脱脂棉负载镍盐：
将0.01–100g脱脂棉加入0.0001mol/l–2mol/l的镍盐溶液中，保证脱脂棉浸没在溶液中，浸渍12–48h后拿出负载有镍盐的脱脂棉，排除多余的溶液后，湿的脱脂棉在40–80oc温度下干燥；步骤二，多孔碳上负载纳米镍：
将步骤一所制得的产物在400–1000oc，n2或惰性气氛保护下焙烧1–4h，升温速率为1–10oc/min，得到多孔碳上均匀负载纳米镍的产品。
进一步地，步骤一中的浸渍时间为24–48h，所得产品中纳米镍的负载量随着镍盐溶液浓度的增大而增大，最高负载量能达到85wt%。
上述方法中，所使用的保护气氛为n2或he、ar惰性气氛中的一种。
上述方法中，根据焙烧温度和时间的不同，所得产品中纳米镍颗粒的粒径为2–200nm。
上述方法中，纳米镍均匀地分散在多孔碳上，根据多孔碳的结构以及纳米镍的负载量和粒径的不同，复合材料的反射损耗峰值可小于–50db，反射损耗–10db以下的吸收带宽可高达5ghz。
本发明的有益效果：
（1）本发明的方法所使用的的原料为脱脂棉和镍盐，价廉易得；
（2）本发明的方法采用浸渍法和高温焙烧法，流程简单，产品产率较高，合成成本低；
（3）纳米镍均匀地分散在多孔碳上，结合很紧密，并且纳米镍的负载量和粒径可调；
（4）根据多孔碳的结构以及纳米镍的负载量和粒径的不同，复合材料的微波吸收性能可调；
（5）多孔碳负载纳米镍吸波材料的多孔结构以及电磁匹配，使材料的微波吸收性能优良。
附图说明
图1为多孔碳负载纳米镍的工艺流程方框图；
图2为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的扫描电镜图；
图3为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的透射电镜图；
图4为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的反射损耗图；
图5为实施例2所得多孔碳负载纳米镍的反射损耗图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
本发明提供了多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，工艺流程见实施例1，以脱脂棉为碳源，通过浸渍和碳热还原相结合的方法，在多孔碳上负载粒径和负载量可调的镍纳米颗粒，得到多孔碳负载纳米镍吸波材料。
实施例1：
一种多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，脱脂棉负载硝酸镍
取脱脂棉4g浸没在100ml0.5mol/l的ni(no3)2·6h2o溶液中，浸渍24h后取出脱脂棉并挤出多余的溶液，湿的脱脂棉在60oc下干燥24h。
步骤二，多孔碳上负载纳米镍
将步骤一所制得的产物在管式炉中n2气氛保护下700oc焙烧2h，即在多孔碳上负载纳米镍，计算得知纳米镍的负载量为33wt%。
图2为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的扫描电镜图，从图中可以看出多孔碳的孔道结构清晰可见，且孔道内部和表面都负载有ni纳米颗粒。
图3为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的透射电镜图，从图中可以看出纳米镍粒径20–60nm。
采用网络向量分析仪来评价多孔碳负载纳米镍吸波材料的微波吸收性能，反射损耗等于–10db意味着90%的微波被吸收，有效频宽代表反射损耗小于–10db时频率范围的宽度。反射损耗等于–20db意味着99%的微波被吸收。反射损耗等于–30db意味着99.9%的微波被吸收。
图4为实施例1所得多孔碳负载纳米镍的反射损耗图，从图中可以看出多孔碳负载纳米镍吸波材料的反射损耗峰值为–30.7db，反射损耗–10db以下的吸收带宽为5ghz（11.7–16.7ghz），综合吸波性能优良。
实施例2：
一种多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，脱脂棉负载硝酸镍
取脱脂棉4g浸没在100ml0.5mol/l的ni(no3)2·6h2o溶液中，浸渍24h后取出脱脂棉并挤出多余的溶液，湿的脱脂棉在60oc下干燥24h。
步骤二，多孔碳上负载纳米镍
将步骤一所制得的产物在管式炉中n2气氛保护下600oc焙烧2h，即在多孔碳上负载纳米镍，纳米镍颗粒粒径约为10–18nm，计算得知纳米镍的负载量为35wt%。
采用网络向量分析仪来评价多孔碳负载纳米镍吸波材料的微波吸收性能，图5为实施例2所得多孔碳负载纳米镍的反射损耗图，从图中可以看出多孔碳负载纳米镍吸波材料的反射损耗峰值为–51.6db，反射损耗–10db以下的吸收带宽为4.9ghz（13.1–18ghz），综合吸波性能优良。
实施例3：
一种多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，脱脂棉负载硝酸镍
取脱脂棉4g浸没在100ml1.5mol/l的ni(no3)2·6h2o溶液中，浸渍48h后取出脱脂棉并挤出多余的溶液，湿的脱脂棉在60oc下干燥24h。
步骤二，多孔碳上负载纳米镍
将步骤一所制得的产物在管式炉中n2气氛保护下600oc焙烧2h，即在多孔碳上负载纳米镍，计算得知纳米镍的负载量为85.7wt%。
实施例4：
一种多孔碳负载纳米镍吸波材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，脱脂棉负载硝酸镍
取脱脂棉4g浸没在100ml0.2mol/l的ni(no3)2·6h2o溶液中，浸渍24h后取出脱脂棉并挤出多余的溶液，湿的脱脂棉80oc下干燥6h。
步骤二，多孔碳上负载纳米镍
将步骤一所制得的产物在管式炉中n2气氛保护下800oc焙烧2h，即在多孔碳上负载纳米镍，纳米镍粒径70–120nm，计算得知纳米镍的负载量为18wt%。