一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，包括碳纳米纤维及磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒分散于碳纳米纤维上，其中，碳纳米纤维为由生物质材料热解之后的碳纳米纤维，碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，本发明专利技术提供的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料具有高长径比，其内部形成交错纤维构筑的多孔网络结构，有利于低填料下导电网络的构筑，在低填料下获得最佳的吸波性能，同时，低填料填充及交错纤维构筑的多孔网络结构赋予磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料轻质、柔性的特征，提高吸波材料的应用价值，同时具有强烈的界面极化和磁损耗，进而有利于对入射电磁波的损耗。

Magnetic carbon nanofiber aerogel absorbing material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料及制备方法
本专利技术涉及吸波材料领域，尤其涉及一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料及制备方法。
技术介绍
随着科学技术和电子产业的发展，各种电子设备应用逐渐增多，电磁波辐射已经成为一种新的社会公害。一方面辐射的电磁波会影响周围电气设备和系统的正常运行，另一方面长期处于电磁波辐射下，人的身心健康受到严重的影响。吸波材料作为一种有效的电磁波吸收体，在现代科技领域的地位日益凸显。首先在所需的吸收波段具有较强的吸收能力是对吸波材料的基本要求，此外，轻量化，较低的填充含量和特殊性能，如灵活性，都具有非常重要的实用价值，特别是在航空航天、军事和便携电子工业。与传统磁性金属/氧化物、导电聚合物等微波吸收材料相比，碳材料具有高导电性、低密度、优异的电化学稳定性等物理化学优势。此外，碳材料的众多同素异形体，包括石墨烯、碳纳米管和多孔碳等，使它们在高效电磁吸波器的设计中有着巨大的潜力。当前，以生物质为原料，通过高温热解制备的多孔碳被认为是理想的吸波体。多孔碳是一种具有天然分级多孔结构的材料。由于存在大量的空气，多孔碳的密度极低、比表面积高、热导系数低。作为微波吸收材料，加入高体积分数的空气可以大大增加入射电磁波与吸收体之间的阻抗匹配，减少电磁波在碳表面的反射。同时多孔碳内部丰富的空气/碳骨架界面通过强烈的界面极化和介质弛豫提高了电磁能的损耗能力。但现有以生物质材料为原料的复合吸波材料，在其制备过程中，在将生物质材料碾成粉末的过程中，天然的三维网状结构被破坏，形成杂乱无序分布的短纤维或颗粒，尽管表面吸附磁性纳米粒子，但实现优异吸波性能需要的较高导电阈值限制了它们的实际应用。同时，对于普遍的生物质材料来说，碳化后形成的多孔碳，一方面用于吸波材料时，物理研磨导致分级多孔结构遭到破坏，不利于界面极化和相关损耗，另一方面缺乏较高长径比的微观结构导致多孔碳只有在填充量较高的情况下才能获得最佳的吸收性能，造成了填料的低效利用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料及制备方法，能提供具有较高长径比的微观结构，有利于低填料下导电网络的构筑，在低填料下获得最佳的吸波性能，同时具有强烈的界面极化和磁损耗，进而有利于对入射电磁波的损耗。为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，包括：碳纳米纤维；以及磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒分散于所述碳纳米纤维上，所述磁性纳米颗粒为铁、钴、镍中的任意一种或几种的合金；其中，所述碳纳米纤维为由生物质材料热解之后的碳纳米纤维，所述生物质材料为细菌纤维素，所述碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的密度为6～7mg/cm3。优选地，所述细菌纤维素的厚度为5～20mm，所述细菌纤维素的纤维直径为50～80nm。优选地，所述碳纳米纤维由石墨化碳构成，其在拉曼光谱中ID/IG为0.6～0.9。优选地，所述磁性纳米颗粒的直径为4～20nm。基于相同的专利技术构思，本专利技术还提供了一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的制备方法，包括：A1，通过溶液处理的方式获取制备所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的纯化生物质材料；A2，将所述纯化生物质材料加入到过渡金属盐溶液中浸泡，得到第一前驱体产物，浸泡时间为24～72h，所述过渡金属盐溶液为铁、钴、镍的硝酸盐、硫酸盐中的任意一种盐溶液或两种及两种以上的盐溶液；A3，将所述第一前驱体产物进行冷冻干燥处理得到第二前驱体产物，冷冻气压为0.5～2Pa，冷冻温度为-50～-20℃，干燥时间为48～96h；A4，将所述第二前驱体产物进行高温碳化处理，以制备出所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料；所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料包括碳纳米纤维以及磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒分散于所述碳纳米纤维上，所述碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的密度为6～7mg/cm3。优选地，所述步骤A1进一步包括：A101，获取第一生物质材料，所述第一生物质材料为细菌纤维素；A102，将所述第一生物质材料加入至质量分数为1～2wt％的NaOH溶液中，并进行第一次水浴保温处理，第一次水浴温度为80～100℃，第一次水浴时间为1～3h，水浴保温处理后进行第一次超声清洗处理，第一次超声清洗处理时间为0.5～2h，该步骤重复处理两次得到第二生物质材料；A103，将所述第二生物质材料放入质量分数为1～2wt％的醋酸溶液中，并进行第二次水浴保温处理，第二次水浴温度为80～100℃，第二次水浴时间为1～3h，水浴保温处理后进行第二次超声清洗处理，第二次超声清洗处理时间为0.5～2h，该步骤重复处理两次得到所述纯化生物质材料。优选地，所述细菌纤维素的厚度为5～20mm，所述细菌纤维素的纤维直径为50～80nm。优选地，所述步骤A2中的过渡金属盐溶液的浓度为0.01～0.05mol/L。优选地，所述步骤A4进一步包括：A401，将所述第二前驱体产物放入真空炉内；A402，往所述真空炉内充入惰性气体；A403，将所述真空炉进行第一次升温，第一次升温速率为1～3℃/min，第一次升温温度为300～500℃，第一次保温时间为1～3h；A404，将所述真空炉进行第二次升温，第二次升温速率为4～6℃/min，第二次升温温度为600～900℃，第二次保温时间为1～3h，制备出所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料。优选地，所述步骤403中的所述第一次升温速率为2℃/min，所述第一次升温温度为400℃，所述第一次保温时间为2h，所述步骤404中的所述第二次升温速率为5℃/min，所述第二次升温温度为900℃，所述第二次保温时间为2h。本专利技术由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：1)本专利技术提供了一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，包括碳纳米纤维及磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒分散于碳纳米纤维上，其中，碳纳米纤维为由生物质材料热解之后的碳纳米纤维，碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，本专利技术提供的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料具有高长径比，其内部形成交错纤维构筑的多孔网络结构，有利于低填料下导电网络的构筑，在低填料下获得最佳的吸波性能，同时，低填料填充及交错纤维构筑的多孔网络结构赋予磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料轻质、柔性的特征，提高吸波材料的应用价值，同时具有强烈的界面极化和磁损耗，进而有利于对入射电磁波的损耗。2)本专利技术还提供了一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的制备方法，通过将湿化学和高温碳化工艺相结合，不需要将生物质材料碾成粉末，进而生物质材料在石墨化过程中，纳米纤维自然地相互连接，超长纳米纤维的形貌可以得到很好的保留，得到具有高长径比的磁性碳纳米纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，其特征在于，包括：/n碳纳米纤维；以及/n磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒分散于所述碳纳米纤维上，所述磁性纳米颗粒为铁、钴、镍中的任意一种或几种的合金；/n其中，所述碳纳米纤维为由生物质材料热解之后的碳纳米纤维，所述生物质材料为细菌纤维素，所述碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的密度为6～7mg/cm

【技术特征摘要】
1.一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，其特征在于，包括：
碳纳米纤维；以及
磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒分散于所述碳纳米纤维上，所述磁性纳米颗粒为铁、钴、镍中的任意一种或几种的合金；
其中，所述碳纳米纤维为由生物质材料热解之后的碳纳米纤维，所述生物质材料为细菌纤维素，所述碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的密度为6～7mg/cm3。


2.根据权利要求1所述的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，其特征在于，所述细菌纤维素的厚度为5～20mm，所述细菌纤维素的纤维直径为50～80nm。


3.根据权利要求1所述的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，其特征在于，所述碳纳米纤维由石墨化碳构成，其在拉曼光谱中ID/IG为0.6～0.9。


4.根据权利要求1所述的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料，其特征在于，所述磁性纳米颗粒的直径为4～20nm。


5.一种磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的制备方法，其特征在于，包括：
A1，通过溶液处理的方式获取制备所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的纯化生物质材料；
A2，将所述纯化生物质材料加入到过渡金属盐溶液中浸泡，得到第一前驱体产物，浸泡时间为24～72h，所述过渡金属盐溶液为铁、钴、镍的硝酸盐、硫酸盐中的任意一种盐溶液或两种及两种以上的盐溶液；
A3，将所述第一前驱体产物进行冷冻干燥处理得到第二前驱体产物，冷冻气压为0.5～2Pa，冷冻温度为-50～-20℃，干燥时间为48～96h；
A4，将所述第二前驱体产物进行高温碳化处理，以制备出所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料；
所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料包括碳纳米纤维以及磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒分散于所述碳纳米纤维上，所述碳纳米纤维的纤维直径为30～50nm，所述碳纳米纤维的长径比为1000～3000，所述磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的密度为6～7mg/cm3。


6.根据权利要求5所述的磁性碳纳米纤维气凝胶吸波材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆雷，梁亮亮，张子强，张旺，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31