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研究背景
隨著 5-6 代通信技術(shù)的快速發(fā)展，電磁污染問題日益突出，對(duì)低成本、寬頻高效的微波吸收材料（MAMs）需求迫切。基于碳線圈（CC）的微波吸收材料（MAMs）因其獨(dú)*的3D螺旋形狀、優(yōu)異的分散性和適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性，在微波吸收（MA）領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而，CC通常生長(zhǎng)在平坦和堅(jiān)硬的基材（如 Al?O?、石英、陶瓷）上上，隨后從基材上刮下。亞穩(wěn)態(tài)的消耗和刮削過(guò)程不可避免地增加了制備成本，這限制了CC的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。碳酸化衛(wèi)生紙（CTP）不僅是一種廉價(jià)高效的MAM，而且具有催化劑負(fù)載能力，使其適合作為CC生長(zhǎng)的基材。同時(shí)，CTP和生長(zhǎng)的CC可以一起用作MAM，而無(wú)需將它們彼此分離。這大大降低了生產(chǎn)成本。
大連理工大學(xué)潘路軍教授課題組，在近期工作提中，通過(guò)鎳催化化學(xué)氣相沉積工藝在CTP上成功合成了螺旋碳微線圈（CMC）。CTP和CMC形成了一種集成的吸收復(fù)合材料，其中螺旋CMC同時(shí)增強(qiáng)了導(dǎo)電損耗和交叉極化損耗，CTP和CMC之間的連接引起了界面極化損耗。通過(guò)精確控制催化劑的量，可以調(diào)節(jié)CTP/CMC的阻抗。優(yōu)化后的CTP/CMC-10復(fù)合材料具有優(yōu)異的微波吸收性能，有效帶寬（反射損耗<-10 dB）為7.4 GHz，填充率為10%。這項(xiàng)工作為開發(fā)低成本、寬帶和高效的MAM鋪平了新的道路。該成果以“Integration of helical carbon microcoils on toilet paper substrates for low-cost and broadband microwave absorption"為題發(fā)表在《Carbon》期刊，第一作者是鄧劉金博。
研究成果
圖1展示了CTP/CMC的制備流程。將衛(wèi)生紙切成30×30毫米的正方形。在鎳催化劑被均勻地噴涂在衛(wèi)生紙上。將噴涂有鎳催化劑的薄紙放置在管式爐中，將衛(wèi)生紙位置加熱至710°C。最后，通過(guò)引入25sccm的C2H2氣體和流量比為350sccm的Ar氣氛1小時(shí)來(lái)合成CMS/CNC。在其他條件不變的情況下，將Ni催化劑噴涂在衛(wèi)生紙上5次、10次和20次，所得樣品分別標(biāo)記為CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20。
圖1：CTP/CMCs的SEM圖
圖2顯示了噴涂到CTP上的Ni納米催化劑的SEM圖像。CTP纖維呈扁平的線性形狀，寬度約為15.0μm。鎳納米粒子均勻地涂覆在CTP上。隨著噴涂次數(shù)的增加，鎳催化劑的負(fù)載量顯著增加。CMC呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)，大量CMC在CTP基材上合成。
圖2：CTP/CMC的SEM圖
圖3顯示了CTP/CMC-10的TEM圖像，CMC呈現(xiàn)螺旋形態(tài)。CMC內(nèi)的碳呈現(xiàn)出非晶態(tài)多晶結(jié)構(gòu)。碳原子層之間的平均間距為0.37nm。在CMC的XRD中觀察到24.5°和43.0°處的兩個(gè)寬峰，分別對(duì)應(yīng)于石墨碳的（002）和（100）平面。沒有觀察到Ni的吸收峰，這可能是由于鎳含量低。CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20的ID/IG值分別為2.51、2.44和2.37。由于CMC的缺陷水平低于CTP，ID/IG值逐漸降低。CTP/CMC復(fù)合材料的石墨化程度增加。
圖3: CTP/CMC-10的TEM圖像，XRD，拉曼光譜和FTIR光譜。
圖4顯示了CTP/CMC的復(fù)介電常數(shù)。CTP/CMC的介電常數(shù)隨著鎳噴涂次數(shù)的增加而逐漸增加。ε^''的逐漸增加表明CMC的生長(zhǎng)豐富了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。圖4d-f顯示了科爾-科爾半圓。在圖4d中，CTP/CMC-5顯示了兩個(gè)半圓，這歸因于螺旋CMC引起的交叉極化和CMC和CTP內(nèi)的多晶無(wú)定形碳引起的界面極化。在圖4e中，CTP/CMC-10呈現(xiàn)三個(gè)半圓。半圓數(shù)量的增加表明，除了多晶非晶碳之間的交叉極化和交叉極化外，CTP和CMC之間還形成了界面，增加了極化位點(diǎn)，改善了界面極化。在圖4f中，CTP/CMC-20顯示了兩個(gè)半圓，與CTP/CMC-10相比，其偏振數(shù)較低。這是由于CMC增長(zhǎng)顯著增加，CTP/CMC-20中幾乎完*是CMC，減少了CMC和CTP之間的界面。
圖4：CTP/CMC電磁參數(shù)。
圖5顯示了CTP/CMC的RL曲線。圖5a顯示CTP/CMC-5的MA性能較差。在5.9 GHz和5.5 mm厚度下，RLmin值為-17.4 dB。從圖5b可以看出，CTP/CMC-10表現(xiàn)出優(yōu)異的MA性能，RLmin為-40.1 dB（7.6 GHz，3.5 mm），EAB為7.4 GHz（10.6-18.0 GHz，2.2 mm）。此外，如圖5c所示，CTP/CMC-20表現(xiàn)出良好的MA性能，EAB為6.5 GHz（11.5-18.0 GHz，2.2mm）。圖5d-f顯示了CTP/CMC的阻抗匹配。圖5d顯示CTP/CMC-5樣品的Z峰約為1.3，表明阻抗不匹配。如圖5e所示，CTP/CMC-10的Z峰約為1.0（紅線），表現(xiàn)出良好的阻抗匹配。這表明CMC的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)了CTP/CMC的阻抗，促進(jìn)了其MA性能。如圖5f所示，CTP/CMC-20的Z峰為0.8，阻抗匹配度不如CTP/CMC-10，這與MA性能是一致的。
圖5：CTP/CMCs的吸波性能
圖6顯示了CTP/CMC的MA機(jī)制。CTP具有成本低、重量輕和寬帶吸收的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為CMC的生長(zhǎng)提供了天然的基質(zhì)。螺旋CMC的合成同時(shí)改善了電導(dǎo)率損失和交叉極化損失。同時(shí)，CTP和CMC之間的連接會(huì)產(chǎn)生許多極化位點(diǎn)，從而增強(qiáng)界面極化。通過(guò)改變Ni催化劑的量，可以調(diào)節(jié)CMC的生長(zhǎng)，這也調(diào)節(jié)了CTP/CMC的阻抗。由于其豐富多樣的吸收機(jī)制，CTP/CMC-10取得了優(yōu)異的MA性能。
圖6：CTP/CMCs吸波機(jī)制
綜上，通過(guò)鎳催化CVD工藝成功合成了集成螺旋CTP/CMC。CTP不僅是一種廉價(jià)高效的MAM，而且具有催化劑負(fù)載能力，使其適合作為CC生長(zhǎng)的底物。CTP和CMC形成集成的MA復(fù)合材料，其中螺旋CMC同時(shí)增強(qiáng)導(dǎo)電損耗和交叉極化損耗，CTP和CMC之間的連接引起界面極化損耗。通過(guò)精確控制催化劑的量，可以調(diào)節(jié)CTP/CMC的阻抗。優(yōu)化后的CTP/CMC-10復(fù)合材料具有優(yōu)異的微波吸收性能，EAB為7.4 GHz，填充率為10%。這項(xiàng)工作促進(jìn)了低成本、寬帶和高效MAM的發(fā)展。
課題組簡(jiǎn)介
潘路軍，大連理工大學(xué)物理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。1988年于西安交通大學(xué)電氣工程系電氣絕緣技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)；1994年赴日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部電子物理專業(yè)留學(xué)。2000年獲博士學(xué)位并留校擔(dān)任助理教授，其間兼任日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）及日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）研究員；2007年底回國(guó)工作，受聘大連理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。歷任物理與光電工程學(xué)院光電工程系主任、物理與光電實(shí)驗(yàn)中心主任、光學(xué)學(xué)科點(diǎn)負(fù)責(zé)人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等國(guó)際著名納米期刊上發(fā)表論文80余篇；主編《基礎(chǔ)光學(xué)》，參編《ディスプレイ材料と機(jī)能性色素（顯示器材料和機(jī)能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場(chǎng)發(fā)射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊(cè)）》
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