碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法与应用，该方法包括：1)泡沫清洗；2)碱化；3)络合金属离子；4)炭化。本发明专利技术将三聚氰胺泡沫碱化处理并在金属盐溶液中浸泡使之与金属离子(Ni

【技术实现步骤摘要】
碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于材料领域，特别涉及一种碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法与吸波防腐应用。

技术介绍

[0002]随着无线通信设施和雷达系统的快速发展，伴随的电磁污染对人类健康和环境的影响越来越大。微波吸波材料可以实现电磁能量的可持续转换，而不是简单地向电磁波反射，因此被认为是解决日益严重的电磁污染问题的有前途的候选材料。三维泡沫材料因其具有低密度、高孔隙率、比表面积大等独特优势而受到广泛关注，并在近几十年来被广泛应用于各个科学和工程领域。特别是在微波吸收领域，三维泡沫材料表现出优异的微波吸收性能，在解决当今日益严重的电磁污染问题上具有明显的潜力。一方面，特殊的空心泡沫微结构促使材料轻量化，有利于实际应用；另一方面，丰富的空腔和多孔特性有利于入射微波的多重反射效应，进一步加强了对电磁波能量的衰减。由于这些令人钦佩的优点，近年来三维泡沫微波吸收材料的研究和制备得到了越来越多的努力。
[0003]在最近的工作中，Ni,Co及其软磁合金纳米颗粒被引入到碳泡沫的骨架中，所得到的磁性碳泡沫形成良好的阻抗匹配，具有很强的吸收带宽。遗憾的是，多孔碳骨架上的这些磁性纳米结构由于表面积大，容易被氧化或腐蚀，严重限制了其实际应用。因此，开发具有高效的微波吸收性能和稳定的腐蚀防护性能的三维泡沫骨架吸波剂具有重要意义，目前鲜见三维碳泡沫骨架复合材料同步吸波和防腐的相关报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法与应用，即采用真空浸渍+高温炭化两步法，原位催化组装制备由具有挤压特征的1D超长糖葫芦碳管包裹磁性合金芯搭载3D泡沫骨架结构，因为灵活易控安全可靠的反应条件，可以大批量制备出不必后续处理、环境稳定、结构特别且介电与磁性皆可调的纳米复合材料，该复合物兼具优异的吸波与防腐性能，可广泛用于微波吸收和腐蚀防护。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一种碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法，其特征在于：具体制备方法包括如下步骤：
[0007](1)泡沫清洗：将三聚氰胺泡沫(又名密胺泡沫)经去离子水、无水乙醇交替超声清洗，将清洗好的三聚氰胺泡沫捞出，烘干备用；
[0008](2)碱化：将步骤(1)所得处理后的三聚氰胺泡沫转移至碱性溶液中一段时间，使其表面粗糙，清洗烘干备用；
[0009](3)络合金属离子：将碱化后的三聚氰胺泡沫真空浸渍于一定浓度的金属盐溶液中过夜，捞出用去离子水反复冲洗，并将螯合得到的金属离子/三聚氰胺复合泡沫烘干备用；
[0010](4)炭化：将步骤(3)得到的金属离子/三聚氰胺复合泡沫在氩气气氛下在一定温度下热解，三聚氰胺泡沫热分解生成的CO气体将金属离子还原为金属颗粒，而金属颗粒在三聚氰胺泡沫骨架表面催化自组装为超长碳纳米管，金属颗粒嵌入碳纳米管头部或侧壁内，即获得碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]步骤(2)中，所述碱性溶液是浓度为2
‑
10mol
·
L
‑1的NaOH溶液，在50
‑
80℃下处理30
‑
120分钟，并用去离子水冲洗，60
‑
100℃真空干燥6
‑
10h。
[0013]步骤(3)中，所述金属盐溶液由金属盐和去离子水组成，金属盐在去离子水溶剂中搅拌混合1
‑
10h，随后投入的三聚氰胺泡沫与金属盐和去离子水的质量比为1
‑
2：2
‑
5：200
‑
500；所述金属盐为六水合氯化镍和六水合氯化铁混合物，或者六水合硝酸镍和六水合硝酸铁混合物，其中镍离子与铁离子的摩尔比为3:1。
[0014]步骤(3)中，所述真空浸渍的真空度为10
‑
50Pa，保压时间为24
‑
48h，温度为室温。
[0015]步骤(4)中，所述氩气气氛中，氩气流量50
‑
300ml
·
min
‑1，炭化过程中以2
‑
10℃/min的升温速率升温至炭化终温600
‑
1000℃(最优选为800℃)，保温1
‑
4h，然后关加热随炉冷却。
[0016]采用本专利技术所述方法制备得到的碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料，其特征在于：所述复合材料为三维碳泡沫骨架负载糖葫芦状的超长中空碳纳米管包裹磁性合金的复合物结构，其中碳纳米管为糖葫芦的挤压状结构，结构中每条中空碳纳米管的外径为30
‑
450nm，长度为20
‑
100μm；所述磁性合金为Ni3Fe合金纳米颗粒，颗粒直径为20
‑
440nm，且三聚氰胺泡沫炭化多孔骨架继承了三聚氰胺泡沫本身的多孔骨架结构。
[0017]所述超长糖葫芦碳纳米管作为致密惰性外壳，将Ni3Fe内核进行了致密的封装，可起到抗腐蚀的作用，三维泡沫复合结构在中性饱和盐溶液3.5wt.％NaCl中阻抗为128.7KΩ
·
cm2。
[0018]本专利技术所述碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料可在
‑
168℃～室温下作为2
‑
18GHz之间频段(优选11.6
‑
18GHz之间频段)的吸波材料进行应用。
[0019]本专利技术所述碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料可在
‑
168℃～室温下浸泡在中性饱和盐溶液中作为吸波材料进行应用。
[0020]本专利技术所述复合材料的微观结构中，超长1D碳纳米管分散在大比表面的3D碳骨架表面，并相互缠绕形成导电网络增强介电吸波，其中Ni3Fe磁性纳米颗粒镶嵌在碳管头部或侧壁内避免团聚形成优良电磁匹配；碳管作为本征不渗透的化学惰性的致密碳壳，将Ni3Fe内核进行了致密的封装，可起到抗腐蚀的作用。
[0021]本专利技术设计机理为：
[0022]碳系材料具有优良的化学惰性和不渗透性，能有效抵御酸性、中性和碱性盐溶液的侵蚀。本专利技术基于大比表面的3D泡沫骨架，分散着致密的1D纳米碳管封装Ni3Fe纳米活性金属，凭借外层碳壳实现对内部金属粒子的有效保护作用，提高材料的抗腐蚀性能；同时由于超长纳米碳管之间相互缠结形成导电网络增强导电损耗以及此3D复合多孔泡沫骨架丰富的3D@1D@0D异质界面增强界面极化和多重反射，有利于材料的吸波性能。基于该设计思路，本专利技术创新性地在三聚氰胺泡沫骨架表面引入镍盐与铁盐，通过三聚氰胺泡沫提供的高比表面积基础骨架平台和碱化处理端接的
‑
OH对金属离子的螯合作用共同诱导Ni3Fe金
属的形核与生长，并最终通过炭化得到一种具有糖葫芦状挤压特征的碳泡沫骨架负载超长中空碳纳米管包裹磁性Ni3Fe纳米颗粒的复合材料，其兼具了吸波频带宽和抗腐蚀能力强的特点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法，其特征在于：具体制备方法包括如下步骤：(1)泡沫清洗：将三聚氰胺泡沫经去离子水、无水乙醇交替超声清洗，将清洗好的三聚氰胺泡沫捞出，烘干备用；(2)碱化：将步骤(1)所得处理后的三聚氰胺泡沫转移至碱性溶液中一段时间，使其表面粗糙，清洗烘干备用；(3)络合金属离子：将碱化后的三聚氰胺泡沫真空浸渍于一定浓度的金属盐溶液中过夜，捞出用去离子水反复冲洗，并将螯合得到的金属离子/三聚氰胺复合泡沫烘干备用；(4)炭化：将步骤(3)得到的金属离子/三聚氰胺复合泡沫在氩气气氛下在一定温度下热解，三聚氰胺泡沫热分解生成的CO气体将金属离子还原为金属颗粒，而金属颗粒在三聚氰胺泡沫骨架表面催化自组装为超长碳纳米管，金属颗粒嵌入碳纳米管头部或侧壁内，即获得碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料。2.根据权利要求1所述的碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碱性溶液是浓度为2
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10mol
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L
‑1的NaOH溶液，在50
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80℃下处理30
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120分钟，并用去离子水冲洗，60
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100℃真空干燥6
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10h。3.根据权利要求1所述的碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述金属盐溶液由金属盐和去离子水组成，金属盐在去离子水溶剂中搅拌混合1
‑
10h，随后投入的三聚氰胺泡沫与金属盐和去离子水的质量比为1
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2：2
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5：200
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500；所述金属盐为六水合氯化镍和六水合氯化铁混合物，或者六水合硝酸镍和六水合硝酸铁混合物，其中镍离子与铁离子的摩尔比为3:1。4.根据权利要求1所述的碳泡沫骨架负载超长碳管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述真空浸渍的真空度...

【专利技术属性】
技术研发人员：马嵩，李帅贞，刘伟，张志东，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：