碳化硅納米顆粒的吸波性能研究

梁 飛

(渭南師范學院化學與生命科學學院，陜西渭南714000)

吸波材料廣泛應用于電磁兼容、電子儀器設備、高頻設備、屏蔽箱等領域.隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，研究和開發(fā)電磁吸波材料已經成為人們關注的焦點［1］.納米吸波材料不僅具有良好的吸波性能，同時具備質量輕、寬頻帶、兼容性好及厚度薄等特點，因此其正成為研究的熱點［2］.納米材料的吸波性能與材料特性、形貌、結構等許多因素有關.為此人們制備了不同結構的納米吸波材料，如Ni/Ag核殼納米顆粒［3］、Ni-Co-P 包裹的 SiC 粉末［4］、碳納米彈簧［5］、Fe納米線［6］和不同的 ZnO 納米結構［7］.

SiC納米材料具有熱穩(wěn)定性高、高硬度、耐腐蝕、抗氧化、熱傳導率高等特點，能夠實現(xiàn)輕質、薄層、寬頻帶和多頻段吸收的目的，所以很適宜用作高溫電磁吸波材料［8］.盡管人們已經合成了一系列不同結構的SiC納米材料，如SiC納米顆粒［9］、SiC納米線［10］、SiC納米管等［11］，但對納米碳化硅的吸波性能研究還比較少.本文主要采用廢棄塑料為碳源，正硅酸乙酯為硅源，硝酸鐵為催化劑，通過溶膠—凝膠和碳熱還原法制備碳化硅納米顆粒，并研究其吸波性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯、乙醇、硝酸鐵、草酸、六次甲基四胺、鹽酸和氫氟酸均為分析純;廢棄塑料瓶(礦泉水瓶).

相結構測試:采用Rigaku Dmax-rA型X射線衍射儀.(CuKα輻射，入射波長λ=0.154 nm，金屬Ni濾波，管電壓40 kV，管電流100 mA，掃描速率2°/min，掃描步長為0.02°).微觀結構表征:采用日本JEOL-1011型透射電子顯微鏡上觀察樣品的微觀結構.具體方法為:將少量樣品放入稱量瓶中，用乙醇作為分散劑，超聲波振蕩10 min后，用潔凈的滴管取1～2滴于銅網上，干燥后進行觀察.吸波性能分析:采用Agilent-N5230A網絡分析儀.測量樣品在2～18 GHz的復合介電常數(shù)和復合磁導率以計算樣品吸波性能.將樣品與熔融石蠟進行混合放在銅質環(huán)形模具進行測量，模具外徑為7 mm，內徑為3 mm，高2 mm.

1.2 碳化硅納米顆粒的制備

采用文獻［12］的方法制備.將塑料瓶清洗、干燥，將切碎后的塑料瓶在800℃，氬氣氣氛下碳化3 h.在100 mL乙醇中溶解1 g硝酸鐵，待完全溶解后再加入12 g碳化產物和50 mL正硅酸乙酯，在強力攪拌下，逐滴加入3.4 wt%草酸溶液8 mL，促進正硅酸乙酯水解形成溶膠.強力攪拌24 h后，加入35.8 wt%六次甲基四胺溶液8 mL，促進溶膠的凝固.待凝膠凝固后，在110℃下干燥12 h得到干凝膠.干凝膠放入高溫管式爐中，在氬氣氣氛保護下1350℃反應6 h.待爐溫冷卻到室溫時，將收集到的樣品先在空氣中700℃反應3 h，除去未反應的碳，然后用鹽酸和氫氟酸的混合酸洗去可溶性雜質，所得樣品記為SiC.

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1為樣品的粉末X射線衍射(XRD)圖.從圖1中可以看出，5個衍射峰分別對應于立方結構β-SiC的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面.在2θ為33.6°處有一個較小的衍射峰，一般認為是由于堆積缺陷所形成的超結構引起的衍射而形成的［13］.沒有其他物質衍射峰的出現(xiàn).XRD結果表明樣品是純β-SiC且具有較好的晶形.

圖1 碳化硅樣品的XRD圖

圖2 碳化硅樣品的TEM圖

2.2 透射電鏡分析

采用透射電鏡進一步表征樣品的形貌和結構，如圖2所示.從圖2中可以看出，所得β-SiC樣品主要由一種近似球形的納米顆粒組成，顆粒之間相互銜接，并且具有較窄的粒徑分布，顆粒尺寸在10～60 nm之間.

2.3 吸波性能

碳化硅屬于介電損耗性吸波材料，介電常數(shù)的虛部一定程度上代表了物質對電磁波損耗能力的大小.圖3為碳化硅納米顆粒的介電常數(shù)譜圖，其中ε'表示介電常數(shù)實部，即靜電場下介質的相對介電常數(shù).ε″表示介電常數(shù)的虛部，一定程度上代表了物質對電磁波損耗能力的大小.從圖中可以看出，所制備的碳化硅納米顆粒，其ε'處于7.1～8.9之間呈降低趨勢，其原因是:材料在低頻下極化響應快而高頻下極化響應慢，從而使介電常數(shù)實部降低;ε″處于1.2～1.6之間，整體呈增大趨勢，其原因為頻率增大交變電場的變化更快，但是極化的速度始終不能與之同步形成馳豫，所以頻率越大造成的滯后越大、介電損耗也越大，故頻率增大ε″增大.圖4為碳化硅納米顆粒不同厚度時的微波吸收譜圖.從圖中可以看出，當樣品厚度為0.5 mm和1 mm時，譜線沒有太大變化，表明SiC納米顆粒的微波吸收能力很弱.當樣品厚度增加到1.5 mm時，碳化硅納米顆粒的反射衰減在16～18 GHz可達到－5 dB.當樣品厚度增加至3 mm，碳化硅納米顆粒在8～13GHz的反射衰減在－5 dB以上，帶寬為5 GHz，其反射衰減的最大值為－8.91 dB.結果表明材料厚度對材料的吸波性能有著明顯的影響，厚度增加，材料的吸收率提高，但是每種材料都有一個最佳匹配厚度，因此過度增加厚度也不會無限提高材料的吸波性能.

圖3 碳化硅樣品的介電常數(shù)譜圖

圖4 SiC樣品的微波吸收性能

3 結論

(1)采用廢棄塑料作為碳源，通過溶膠—凝膠和碳熱還原法可以制備碳化硅納米顆粒，其直徑約為10～60 nm.

(2)碳化硅納米顆粒的吸波性能隨著樣品厚度的增加而增強，當樣品厚度為3 mm時，在8～13 GHz的反射衰減在－5 dB以上，其最大值為－8.91 dB.

(指導教師:王冬華)

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