活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁干擾已成為繼水污染，大氣污染和噪聲污染之后的第四大污染類型，并可能影響生物生活。同時，電磁波的泄漏也會影響電子設(shè)備的正常運行，造成嚴重的損失。研發(fā)活性炭電磁屏蔽材料對提高生活質(zhì)量和電磁工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，我們使用原位還原法制備活性炭載鐵的復(fù)合纖維材料。所得活性炭在室溫下表現(xiàn)出超順磁性。使用拱形法測量活性炭在8.2-18GHz頻率范圍內(nèi)吸收電磁波的效果。

　　通常，由于磁性粒子顆粒的高度復(fù)雜的磁導(dǎo)率可用于吸收電磁波。然而，它們的高密度和窄吸收帶限制了它們的適用性。電磁波損耗使得總損耗由磁損耗和電損耗決定。將磁性材料與電介質(zhì)結(jié)合不僅可以減輕重量，還可以通過阻抗匹配實現(xiàn)更好的微波吸收。活性炭是一種介電損耗材料，碳含量大于95%。與磁性金屬材料相比，活性炭具有低密度和低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)點，以及高頻電磁波的良好吸收性。然而，并非每種類型的活性炭都可用作微波吸收材料，這取決于活性炭的導(dǎo)電性。過高的導(dǎo)電性導(dǎo)致活性炭反射電磁波，這強烈地影響它們吸收微波的能力。因此，只有經(jīng)過特殊處理的活性炭才能用于吸收微波。由于復(fù)合材料內(nèi)部的多次反射和較長的傳播距離，使用活性炭是增加電磁波吸收的方法之一。

　　我們通過在活性炭上涂覆Fe3 O4磁性顆粒，制備了一種輕質(zhì)纖維復(fù)合材料，能夠在寬帶上吸收電磁波。使用原位還原法施加Fe3 O4磁性顆粒，并且使用拱形法研究在8.2-18GHz的頻率范圍內(nèi)活性炭和活性炭/ Fe3 O4纖維的反射率。

　　活性炭吸收電磁波性能測試

　　采用拱形法研究了電磁波吸收性能。測試裝置在圖1中示意性地示出。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與接收和發(fā)射天線相連，其中一個具有增強和發(fā)射頻率電磁波的功能，另一個具有接收反射信號的功能。根據(jù)反饋信號強度，活性炭載鐵復(fù)合纖維材料的尺寸為180×180mm，厚度為2mm。

　　圖1：拱法電磁波吸收試驗裝置。

　　活性炭的相組成和形態(tài)

　　通過FESEM表征活性炭和載鐵活性炭的微觀結(jié)構(gòu)。圖2(a)顯示活性炭的SEM圖像。活性炭的表面相對光滑，表面上沒有表明殘留雜質(zhì)的顆粒。圖2(b)和(c)顯示了不同放大倍數(shù)下載鐵活性炭的SEM圖像。大多數(shù)Fe3 O4顆粒均勻分布在活性炭表面上。Fe3 O4顆粒的形狀是不規(guī)則的，而它們的尺寸在15-60nm的范圍內(nèi)，這對應(yīng)于從XRD圖案計算的顆粒尺寸。圖2(d)顯示，所制備的載體活性炭易于彎曲，表明處理后具有良好的柔韌性。

　　圖2：活性炭復(fù)合材料纖維的SEM和實物圖。

　　磁和電磁波吸收特性

　　活性炭復(fù)合纖維材料在室溫下-20000至20000 Oe范圍內(nèi)的磁滯回線在圖3顯示，其形狀是典型的S曲線，對應(yīng)于超順磁行為。包括飽和磁化強度Ms，磁矯頑力HC和剩余磁化強度Mr的磁特性。活性炭復(fù)合材料的Ms低于塊狀Fe3 O4，這可以通過活性炭載入Fe3O4納米粒子來解釋，這與發(fā)現(xiàn)的結(jié)果非常一致。

　　圖3：室溫下活性炭載鐵復(fù)合纖維材料的磁滯回線。

　　拱形法是一種簡單實用的方法，利用該方法可以精確測量微波吸收材料的反射率而不破壞其結(jié)構(gòu)。由于活性炭制成的纖維是具有相對高電阻的非金屬導(dǎo)電纖維材料，因此可以將其視為電磁場中的諧振子，其與入射電磁波共振以形成耗散電流。這種產(chǎn)生的光電流最終在材料系統(tǒng)中消耗。活性炭也可以在電磁場的作用下被視為偶極子。活性炭的表面極化進一步消散和衰減光電流，在周圍基質(zhì)的作用下將電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。在加載Fe3 O4納米粒子后，活性炭的吸收性能大大提高。這種增強的性能主要歸因于納米Fe3 O4的獨特電磁性質(zhì)。附著的Fe3 O4具有磁滯損耗，自然諧振和電磁波交換共振的功能，導(dǎo)致電磁波的顯著衰減。此外，磁性納米粒子增加了與電磁波的有效接觸界面，大大增強了界面極化效應(yīng)。因此，復(fù)合材料的增強吸收性能是由于電損耗活性炭和磁損耗Fe 3 O 4的協(xié)同效應(yīng)。

　　結(jié)論，我們使用原位還原法成功制備了活性炭載鐵復(fù)合纖維材料。Fe 3 O 4是納米顆粒的形式，其均勻地分散在活性炭的表面上并且在室溫下表現(xiàn)出超順磁性。活性炭對微波反射效果一般，但是也能有效吸收帶寬。相比之下活性炭載鐵復(fù)合材料表現(xiàn)出極大改善的微波吸收，這些性質(zhì)表明活性炭載鐵復(fù)合千萬在吸收材料和電磁屏蔽領(lǐng)域具有廣泛的適用性。

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