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江苏科技大学向军:三维互连FeNi@CNFs的合成及其在轻质高效电磁波吸收材料中的应用

学术动态    2022-07-26 16:24

DOI: 10.1016/j.carbon.2022.07.005

 

在本研究中,通过静电纺丝以及随后的预氧化和碳化工艺制备了封装高度分散精细FeNi纳米粒子(NPs)的碳纳米纤维(FeNi@CNFs)。详细研究了FeNi含量和填料负载对FeNi@CNFs/石蜡复合材料的电磁(EM)和微波吸收(MA)性能的影响。受益于包括零维FeNi@石墨碳核壳纳米粒子、具有短碳纳米管突起的一维CNFs和三维导电网络在内的特殊分层微观结构,以及小尺寸磁性FeNi纳米粒子与轻质介电CNFs之间的协同效应,所制备的FeNi@CNFs样品在超低填充量下表现出优异的MA性能,其中填充量仅为5wt%的FeNi@CNFs-2具有最强的吸收强度和最宽的有效频宽,这主要是由于电磁衰减能力和阻抗匹配之间的更好平衡。最小反射损耗(RL)在16.3GHz时达到-31.3dB(超过99.9%MA),厚度仅为1.7mm,厚度为1.9mm时的最大有效吸收带宽(RL<-10dB)高达5.6GHz(12.0-17.6GHz),优于许多先前报道的磁性碳基混合吸收材料。上述结果表明,将小尺寸FeNi NPs适当地结合到CNFs中是设计轻质高性能电磁波吸收材料的有效且有前景的策略。

 

图1.FeNi@CNFs的制备过程示意图。

 

图2.(a)所制备FeNi@CNFs-1、FeNi@CNFs-2和FeNi@CNFs-3的XRD图谱和(b)拉曼光谱。

 

图3.(a,d)FeNi@CNFs-1、(b,e)FeNi@CNFs-2和(c,f)FeNi@CNFs-3的FE-SEM图像和直径分布图。

 

图4.FeNi@CNFs-2的XPS全扫描光谱以及(b)C1s、(c)Fe2p和(d)Ni2p的高分辨率光谱。

 

图5.(a)FeNi@CNFs-1、(b)FeNi@CNFs-2和(c)FeNi@CNFs-3的TEM图像和SAED图谱(插图)。(d)FeNi@CNFs-2的HRTEM图像,(e)STEM图像,以及(f)C、(g)Fe和(h)Ni元素映射。

 

图6.FeNi@CNFs/PW复合材料的(a)介电常数实部(ε')、(b)介电常数虚部(ε'')、(c)介电损耗角正切(tanδε)和(d)电导率(σAC)的频率依赖性。

 

图7.FeNi@CNFs/PW复合材料的(a)磁导率实部(μ')、(b)磁导率虚部(μ'')、(c)磁损耗角正切(tanδμm)和(d)C0值的频率依赖性。

 

图8.(a)厚度为2mm的FeNi@CNFs/PW复合材料在2-18GHz频率范围内的RL曲线。(b)FeNi@CNFs-1/PW、(c)FeNi@CNFs-2/PW和(d)FeNi@CNFs-3/PW复合材料的3D RL图。三种不同厚度的FeNi@CNFs/PW复合材料的(e)EAB和(f)RLmin值的详细比较。

 

图9.FeNi@CNFs-2/PW复合材料的RL曲线和相应RL值的3D呈现,填料含量分别为(a)3wt%、(b)5wt%和(c)8wt%。

 

图10.1D FeNi@CNFs可能的微波吸收机理示意图。