一种核壳结构型吸波材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构型吸波材料及其制备方法，所述吸波材料具有以二维过渡金属‑硫族元素化合物纳米片为核，以空心碳球为壳的核壳结构。所述制备方法包括：将空心碳球溶于溶剂中，依次加入过渡金属源和硫族元素源搅拌溶解后进行溶剂热反应，再经过后处理得到所述吸波材料。本发明专利技术还公开了所述吸波材料在军、民用高频电磁兼容与防护领域中的应用。本发明专利技术所述的核壳结构吸波材料的密度为0.3～1.5kg/cm

A core-shell microwave absorbing material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构型吸波材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及吸波材料领域，特别是涉及一种核壳结构型吸波材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着信息技术的快速发展，与环境安全、信息安全以及国防建设密切相关的吸波材料正逐步成为科研热点，覆盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料的各种新型电磁吸波材料不断涌现。其中，由于优异的轻质与良好的机械性能，碳材料自上世纪四十年代以来就在微波吸收领域得到了极大的研究与应用。然而，由于其本身高电导而导致的阻抗失配问题一直在困扰着广大科研工作者，长久以来都没有得到很好的解决。以二硫化钼(MoS2)与二硫化钨(WS2)等作为典型代表的层状过渡金属硫化物(TMDs)由于在比表面积和电性能方面具有的独特优势，近些年来在储能、催化以及润滑等领域均得到了广泛研究。近些年来，TMDs在介电吸波领域也逐渐引人瞩目。以MoS2为代表，专利技术人于2015年首次考察并报道了通过剥离方法制备MoS2纳米片的介电吸波性能，并与其块体材料做了直观对比(Ninget.al.Two-dimensionalnanosheetsofMoS2:apromisingmaterialwithhighdielectricpropertiesandmicrowaveabsorptionperformance,Nanoscale,2015,7,15734-15740)。实验结果显示：MoS2纳米片的介电常数是其块体材料的两倍，这主要归结于MoS2纳米片制备过程中比表面积与金属导电相的增加，以及Mo、S空位缺陷偶极子的引入。当MoS2纳米片作为微波吸收剂时，其最大反射率损耗为-38.4dB，有效吸收带宽为4.1GHz，均明显优于MoS2块体材料。然而，MoS2纳米片作为微波吸收剂时填充浓度较高，进而导致其涂覆密度较大，这限制了其在微波吸收领域的进一步发展。基于此工作，很多课题组报道了MoS2纳米片/羰基铁、WS2纳米片/Fe3O4、MoS2纳米片/CdS以及MoS2纳米片/rGo等吸波材料体系，并取得了一定的吸波效果。如公开号为CN107286907A的专利申请公开了一种核壳结构型二硫化钼/羰基铁复合微波吸收剂，该吸波材料是以羰基铁为核，二硫化钼纳米粉体包覆于羰基铁外形成核壳结构，在匹配厚度为1.9～3.3mm时，2～18GHz频率范围内最大反射率为-46dB～-59dB，有效吸收带宽为1.71GHz，但是由于羰基铁本身密度较大(7.8g/cm3)，导致由其制得的吸波材料密度较大。另外，公开号为CN105883921A的专利申请公开了一种具有宽频强吸波能力的3D型二硫化钼纳米微球吸波材料，该吸波材料在18～26.5GHz以及26.5～40GHz频段内的最大反射率为-46.8dB和-33.2dB，但其匹配厚度却分别高达7.5mm和8mm。由此可知，目前复合吸波材料体系仍普遍存在吸波剂分布不均匀、阻抗匹配不佳、涂覆厚度大等难题，未能真正实现吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种在空心碳球内部利用溶剂热反应生长低层数、高比表面积的二维过渡金属-硫族元素化合物纳米片的核壳结构型吸波材料的方法，大幅度降低了吸波剂的阻抗匹配厚度、优化了材料的阻抗匹配特性以及提升了材料的最大反射率值。本专利技术采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种核壳结构型吸波材料，具有以二维过渡金属-硫族元素化合物纳米片(TMDs)为核，以空心碳球(HCS)为壳的核壳结构；所述过渡金属选自：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re，所述硫族元素选自S、Se、Te。所述过渡金属-硫族元素化合物的化学式为MX2，其中，M为过渡金属元素，X为硫族元素。在成分上，本专利技术将具有显著介电损耗的两种材料：空心碳球与二维过渡金属-硫族化合物纳米片进行结构组装，使得到的复合材料兼具轻质和高效吸波特性。在结构上，本专利技术巧妙地将上述两种材料设计为核壳结构，不仅有效解决了二维过渡金属硫化物易团聚的难题，而且有效提升材料的净比表面积，优化材料的阻抗匹配特性；同时，引入的低电导率的TMDs薄片可以引入更多的有效电磁波损耗位点，降低材料的趋肤效应，保证材料损耗能力的正常发挥。此外，由核壳型结构引入的TMDs/碳球微界面利于电磁波的多次反射与吸收。所述吸波材料的密度为0.3～1.5kg/cm3。本专利技术的吸波材料相较于传统羰基铁(carbonyliron，7.84kg/cm3)和四氧化三铁吸波材料的密度(Fe3O4，5.18kg/cm3)，在密度上具有较为明显的轻质优势。所述吸波材料在2～40GHz频段内的匹配厚度为0.5～5.0mm，最大反射率损耗为-40～-80dB，反射率值小于-10dB的有效吸收带宽为2.5～12GHz。所述空心碳球壳层与二维过渡金属-硫族元素化物纳米片的质量比为1：1～20，优选为1：6～12。第二方面，本专利技术还提供了上述核壳结构型吸波材料的制备方法，包括：将空心碳球溶于溶剂中，依次加入过渡金属源和硫族元素源搅拌溶解后进行溶剂热反应，再经过后处理得到所述吸波材料。在制备方法上，本专利技术利用溶剂热方法可以精准控制反应前驱体的相对浓度，便于目标材料的微观形貌调控，是制备核壳结构型吸波材料的有效方法，进一步实现了具有宽频、高吸收特性的核壳结构型复合吸波材料的制备。所述的溶剂热反应的反应温度为180～230℃，反应时间为10～35h。所述空心碳球的分散性良好，其直径为200～400nm。优选地，所述溶剂为胺类试剂与醇类试剂的混合液，所述胺类与醇类试剂的体积比为4～6：1。这是考虑到反应溶剂的极性对二维过渡金属-硫族化物纳米片的形成起到决定性作用，通过调整胺类试剂与醇类试剂的混合比例可以对溶剂的极性进行较大范围内的调整，进而调制出最佳反应溶剂极性。所述胺类试剂为甲酰胺或己内酰胺，所述醇类试剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种混合。所述溶剂的添加量以能充分分散空心碳球、过渡金属源和硫族元素源为宜。所述过渡金属源包括过渡金属的钠盐、氯盐或硫代铵盐，所述硫族元素源包括硫族元素的铵盐、氯盐或氧化物。所述的过渡金属与硫族元素的摩尔比为1：1～6，优选为1：2～4。所述空心碳球与混合试剂的搅拌时间为0.5～2h，加入过渡金属源的搅拌时间为1～3h，加入硫族元素源的搅拌时间为1～3h。所述后处理包括：将得到的反应液进行离心分离，收集沉淀再进行洗涤、干燥得到所述吸波材料。所述离心的离心速度为8000～12000rpm，离心时间为15～25min。所述洗涤为利用去离子水与无水乙醇分别洗涤3～5次。所述干燥条件为：干燥温度为70～100℃，干燥时间为12～24h。第三方面，本专利技术还提供了上述核壳结构型吸波材料在军、民用高频电磁兼容与防护领域的应用。进一步地，本专利技术具体还提供了上述核壳结构型吸波材料在隐身防护和5G通讯领域中的应用。本专利技术设计的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核壳结构型吸波材料，其特征在于，具有以二维过渡金属-硫族元素化合物纳米片为核，以空心碳球为壳的核壳结构；/n所述过渡金属选自Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re，所述硫族元素选自S、Se、Te。/n

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构型吸波材料，其特征在于，具有以二维过渡金属-硫族元素化合物纳米片为核，以空心碳球为壳的核壳结构；
所述过渡金属选自Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re，所述硫族元素选自S、Se、Te。


2.根据权利要求1所述的壳结构型吸波材料，其特征在于，所述吸波材料在2～40GHz频段内的匹配厚度为0.5～5.0mm，最大反射率损耗为-40～-80dB，反射率值小于-10dB的有效吸收带宽为2.5～12GHz。


3.一种根据权利要求1或2所述的核壳结构型吸波材料的制备方法，包括：将空心碳球溶于溶剂中，依次加入过渡金属源和硫族元素源搅拌溶解后进行溶剂热反应，再经过后处理得到所述吸波材料。


4.根据权利要求3所述的核壳结构型吸波材料的制备方法，其特征在于，所述的溶剂热反应的反应温度为180～230℃，反应时间为10～35h。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁明强，满其奎，谭果果，陈淑文，李润伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33