以二氧化硅反蛋白石為模板，以酚醛樹脂前驅(qū)體為碳源，乙酸鋅為鋅源，制備了一種**氧化鋅納米粒子修飾三維有序介孔碳球的復(fù)合材料(ZnO/OMCS)。制備的ZnO/OMCS復(fù)合材料具有三維有序的陣列結(jié)構(gòu)及良好的孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)氧化鋅負(fù)載量為30%時(shí)ZnO/OMCS復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的電磁波吸收能力(在10.4 GHz時(shí)吸收強(qiáng)度為39.3 dB，厚度為2 mm)，**吸收帶寬達(dá)到9.1 GHz。復(fù)合材料**的電磁波吸收性能得益于分散性良好的**ZnO納米粒子和三維有序的介孔碳球結(jié)構(gòu)。此方法為開發(fā)輕質(zhì)**的碳基吸波材料開辟了一條獨(dú)特的途徑。

圖文導(dǎo)讀

1.ZnO/OMCS復(fù)合材料的制備過程

圖1為ZnO/OMCS的制備過程。**以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膠體晶體作為硬模板制備二氧化硅反蛋白石模板。然后以此為二次模板，以酚醛樹脂為碳源，以兩親性三嵌段聚醚F127為軟模板制備三維有序介孔碳球，最后采用溶膠-凝膠法將ZnO納米粒子與介孔碳球復(fù)合得到ZnO/OMCS復(fù)合材料。

圖1. ZnO/OMCS復(fù)合材料制備流程圖。

2.ZnO/OMCS復(fù)合材料的納微結(jié)構(gòu)

圖2為模板和復(fù)合材料的SEM圖。從圖2c中可以看出OMCS具有三維有序陣列結(jié)構(gòu)，很好的復(fù)制了PMMA膠體晶體模板的蛋白石結(jié)構(gòu)(圖2a)。從圖2d-f中可以看出通過溶膠凝膠法將ZnO納米粒子負(fù)載在OMCS上不會(huì)破壞OMCS的三維有序結(jié)構(gòu)。

圖2. (a) PMMA模板的SEM圖；(b) 二氧化硅反蛋白石模板的SEM圖；(c) 三維有序介孔碳球的SEM圖；(d-f) 不同氧化鋅納米粒子含量的ZnO/OMCS復(fù)合材料SEM圖。

3.ZnO/OMCS復(fù)合材料的密度泛函計(jì)算

通過**性原理計(jì)算研究了ZnO/OMCS的結(jié)構(gòu)。計(jì)算出的電子密度差圖如圖3所示。結(jié)果表明，ZnO和C的電荷密度不同，并且ZnO對(duì)C表面的電荷分布有影響，少量電子從C原子轉(zhuǎn)移到ZnO中的O原子。這種ZnO/C界面的電子遷移在電磁場(chǎng)作用下會(huì)更加**，**提升界面極化等對(duì)電磁波能量的損耗。

圖3. ZnO/ OMCS的仿真結(jié)果。(a) 松弛后的石墨/ ZnO結(jié)構(gòu)的俯視圖；(b) 電荷密度差的側(cè)視圖；沿(011)平面的(c) 電荷密度差和(d) 電子局部化的剖視圖。(e) C/ ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)，(f) ZnO雜化，(g) 純ZnO分子的DOS計(jì)算結(jié)果。

4.ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁波吸收性能

從圖3可以看出ZnO/OMCS復(fù)合材料具有良好的電磁波吸收特性，當(dāng)氧化鋅納米粒子含量為30%時(shí)ZnO/OMCS復(fù)合材料**反射損耗值達(dá)到-39.3 dB。并且可以通過改變復(fù)合材料中的ZnO納米粒子的含量調(diào)節(jié)復(fù)合材料的吸收效能和**吸收頻寬。

圖3. 不同ZnO含量的ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁反射損耗圖。(a, b) ZnO/OMCS-20；(c, d) ZnO/OMCS-30；(e, f) ZnO/OMCS-40。

5.ZnO/OMCS復(fù)合材料電磁波損耗和吸收機(jī)理分析

ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)理可歸因于以下幾點(diǎn)：1. 碳基的三維有序介孔碳球?yàn)閷?shí)現(xiàn)阻抗匹配提供了豐富的固-氣界面。2. 三維有序多孔結(jié)構(gòu)可以提高電磁波的傳導(dǎo)損耗、多次反射和散射損耗。3. **性原理計(jì)算結(jié)果表明，**ZnO納米顆粒的均勻分布有利于極化界面的形成，ZnO晶體中氧空位引起的缺陷偶極子促進(jìn)了極化損耗。同時(shí)，ZnO納米粒子在多孔結(jié)構(gòu)中得到**的分離和分布，有利于形成更致密的介質(zhì)耦合網(wǎng)絡(luò)，提高介電損耗能力。而且，高載量的納米粒子增加了復(fù)合材料中的活性中心數(shù)目，有利于散射損耗。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該吸波復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收和**效果，將ZnO/OMCS-30涂覆在具有溝槽結(jié)構(gòu)的金屬板上，對(duì)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的雷達(dá)散射截面(RCS)縮減效果進(jìn)行了仿真研究(圖5)。研究結(jié)果表明，ZnO/OMCS納米復(fù)合材料具有良好的吸波性能，能****金屬溝槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)電磁散射。

圖5. 矩形金屬板和含ZnO/OMCS涂層矩形金屬板的RCS仿真結(jié)果。(a, b) 為金屬板和ZnO/OMCS-30涂層金屬板的模型；(c, d) 相應(yīng)的模擬電流分布云圖；(e)金屬結(jié)構(gòu)和ZnO/OMCS涂層金屬結(jié)構(gòu)的RCS值。

1.制備的**氧化鋅納米粒子修飾的三維有序介孔碳球復(fù)合材料具有良好的電磁波吸收能力。

2.納米氧化鋅/碳復(fù)合材料的電磁波吸收性能可以通過改變納米氧化鋅的含量來調(diào)節(jié)。

3.通過對(duì)復(fù)雜溝槽結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面進(jìn)行電磁模擬，證明了該碳基納米復(fù)合材料的良好的電磁波吸收性能。

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