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,，對低成本、寬頻高效的微波吸收材料（MAMs）需求迫切,?；谔季€圈（CC）的微波吸收材料（MAMs）因其獨*的3D螺旋形狀、優(yōu)異的分散性和適當?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通常生長在平坦和堅硬的基材（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）不僅是一種廉價高效的MAM,，而且具有催化劑負載能力,，使其適合作為CC生長的基材。同時,，CTP和生長的CC可以一起用作MAM,，而無需將它們彼此分離,。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同時增強了導(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，通過引入25sccm的C2H2氣體和流量比為350sccm的Ar氣氛1小時來合成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°處的兩個寬峰,，分別對應(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)的多晶無定形碳引起的界面極化,。在圖4e中，CTP/CMC-10呈現(xiàn)三個半圓,。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,，改善了界面極化。在圖4f中,，CTP/CMC-20顯示了兩個半圓,，與CTP/CMC-10相比，其偏振數(shù)較低,。這是由于CMC增長顯著增加,，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的生長調(diào)節(jié)了CTP/CMC的阻抗,，促進了其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機制,。CTP具有成本低、重量輕和寬帶吸收的優(yōu)點,，同時為CMC的生長提供了天然的基質(zhì),。螺旋CMC的合成同時改善了電導(dǎo)率損失和交叉極化損失。同時,，CTP和CMC之間的連接會產(chǎn)生許多極化位點,，從而增強界面極化。通過改變Ni催化劑的量,，可以調(diào)節(jié)CMC的生長,，這也調(diào)節(jié)了CTP/CMC的阻抗。由于其豐富多樣的吸收機制,，CTP/CMC-10取得了優(yōu)異的MA性能,。

圖6：CTP/CMCs吸波機制

綜上,，通過鎳催化CVD工藝成功合成了集成螺旋CTP/CMC。CTP不僅是一種廉價高效的MAM,，而且具有催化劑負載能力，使其適合作為CC生長的底物,。CTP和CMC形成集成的MA復(fù)合材料,，其中螺旋CMC同時增強導(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%。這項工作促進了低成本,、寬帶和高效MAM的發(fā)展,。

課題組簡介

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)位并留校擔任助理教授,，其間兼任日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)（JST）及日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）研究員；2007年底回國工作,，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,、物理與光電實驗中心主任,、光學(xué)學(xué)科點負責人。近5年在《Advanced Functional Materials》,、《Nano Energy》,、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》,、《Chemical Engineering Journal 》,、《Small》、《Carbon》等國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能性色素（顯示器材料和機能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發(fā)射型顯示器）》,、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》

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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司Finder 930全自動化激光共聚焦拉曼光譜儀，如需了解該產(chǎn)品,，歡迎咨詢,。