碳納米管材料的微波吸收機理研究.pdf

1、碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)具有中空的層狀結(jié)構(gòu)和獨特的電磁性能,是理想的準一維納米材料。碳納米管對電磁波特別是微波的屏蔽與吸收是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。人們對碳納米管材料微波吸收特性的實驗研究已取得了較大的進展。近年來,一些性能優(yōu)異的碳納米管微波吸收材料相繼被合成,在軍事隱身和民用微波防輻方面展示出巨大的應(yīng)用前景。本論文系統(tǒng)探討了碳納米管的本征微波吸收機理,重點研究了碳納米管中氫等離子體的微波吸收機理、

2、碳納米管/聚合物復(fù)合材料的微波介電特性與吸波機理及鐵磁性金屬填充碳納米管的微波吸收機理。
　　 對碳納米管的結(jié)構(gòu)特征、制備與純化、生長機理、理化性質(zhì)、應(yīng)用前景、研究領(lǐng)域、研究方法、研究成果及吸波材料的基本理論進行了全面評述,對碳納米管微波吸收材料的研究進展進行了系統(tǒng)分析,并簡要介紹了課題來源和主要研究內(nèi)容。
　　 從碳納米管電磁參數(shù)和微波吸收特性的實驗結(jié)果出發(fā),分析探討碳納米管的微波損耗機理,并得出結(jié)論:(1)在微波輻射

3、下,碳納米管表面形成電偶極子,產(chǎn)生極化電流,電磁波的能量轉(zhuǎn)換為其他形式的能量,同時,這些偶極子和微波場相互作用導(dǎo)致晶格振動以發(fā)熱的形式引起微波損失;(2)電磁場的交叉極化使螺旋型手性碳納米管對微波的吸收增加;(3)微波在碳納米管孔結(jié)構(gòu)中的多重反射和散射將導(dǎo)致電磁波能量的損失;(4)碳納米管的結(jié)構(gòu)缺陷能增強極化效應(yīng),從而增加介電損耗;(5)碳納米管所具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)(比表面積大)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等有利于其微波吸收

4、;(6)碳納米管的電容率較大,但碳納米管的磁導(dǎo)率相對較小,限制了其作為吸波材料性能的進一步提高,純的碳納米管作為微波吸收劑的吸波性能不是很強。
　　 對鐵催化高壓歧化生長的碳納米管的微波吸收機理進行了深入的探討。運用雙流體理論和唯象模型,導(dǎo)出了碳納米管中氫等離子體的微波復(fù)電容率和微波吸收衰減系數(shù),構(gòu)建了碳納米管中氫等離子體的微波吸收模型,從理論上證明了鐵催化高壓歧化生長的碳納米管氫等離子體中的帶電粒子對微波產(chǎn)生的碰撞吸收是其主要

5、微波吸收機理。計算分析表明:隨著碳納米管氫等離子體中自由電子數(shù)密度的增加,最大衰減系數(shù)|Attmax|和最大吸收系數(shù)αmax增加,吸收峰向高頻方向移動;隨著電子碰撞有效頻率的增加,最大衰減系數(shù)|Attmax|和最大吸收系數(shù)αmax減小,吸收峰緩慢地向低頻方向移動;只要恰當(dāng)?shù)乜刂铺技{米管中等離子體的自由電子密度,就能夠?qū)崿F(xiàn)對特定微波段的強吸收。
　　 以材料顯微結(jié)構(gòu)一性能關(guān)聯(lián)理論為基礎(chǔ),在充分考慮了碳納米管的幾何結(jié)構(gòu)、碳納米管和聚

6、合物基質(zhì)各自的復(fù)電容率的實部和虛部的基礎(chǔ)上,運用等效的電阻-電容(RC)網(wǎng)絡(luò)模型和對數(shù)混合法則,導(dǎo)出了碳納米管/聚合物(絕緣體)復(fù)合材料的復(fù)電導(dǎo)率、復(fù)電容率和微波吸收系數(shù),構(gòu)建了其微波吸收模型。同時得出結(jié)論:碳納米管添加到聚合物中,使材料的復(fù)電導(dǎo)率、復(fù)電容率明顯增大,微波吸收能力顯著增強。碳納米管/聚合物復(fù)合材料的微波電導(dǎo)率、微波吸收系數(shù)與頻率之間存在良好的線性關(guān)系。
　　 系統(tǒng)論述了金屬填充碳納米管的制備方法,深入探討了鐵磁性

7、金屬填充碳納米管的微波吸收機理,理論上證明了鐵磁性金屬填充碳納米管對微波的強烈吸收主要是樣品中鐵磁性金屬納米粒子在微波作用下產(chǎn)生了磁共振的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),隨著鐵磁性金屬填充碳納米管薄膜厚度的增加,其共振頻率νγ向低頻方向移動,隨著樣品中鐵磁性金屬納米粒子含量的增加,νγ向高頻方向移動。因此,通過改變樣品厚度和碳納米管中鐵磁性納米粒子含量,可以實現(xiàn)對特定頻率微波的強吸收的重要結(jié)論。
　　 本論文的研究目的是為研制性能優(yōu)異的碳納米管