[发明专利]一种空心碗状微波吸收材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种空心碗状微波吸收材料的制备方法。它改善了当前单一相的碳材料阻抗匹配特性差，电磁波吸收频带窄的问题。该方法以亲水性二氧化硅微球为模板，无需对模板做任何处理，与吡咯单体和氧化剂过硫酸铵以恰当的配料比混合后，得到均匀核壳复合材料二氧化硅@聚吡咯。之后将其放入氢氟酸溶液刻蚀去除模板再经过高温碳化即可得到空心碗状碳微球。本发明专利制备的空心碗状碳微球粒径均一，分散性良好，具有优异的特性阻抗匹配和良好的微波吸收性能，可用于隐身技术和电磁屏蔽领域，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于微波吸收材料技术领域，具体涉及一种具有宽频微波吸收性能的空心碗状碳微球及其制备方法。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，诸如计算机、移动电话和雷达系统之类的无线通信设备被广泛用于各个行业，人们的日常生活中充斥着各种不同波长范围内的电磁波。这些由电磁波形成的“电子烟雾”不仅会影响高敏感度的电子设备，致使导弹系统间的信号失真，它还会影响人正常的新陈代谢、免疫和生殖等功能，更严重的还会导致体内癌细胞增殖的速度加快，从而诱发癌症。所以在继水质污染、大气污染和噪声污染之后，电磁波污染已被世界公认为第四大污染。而如何应对电磁波污染已然成为人们亟需解决的问题。

在早期阶段，人们采用了电磁屏蔽材料用来防止电磁波污染，因为大多数入射电磁波都会从其表面反射回去，可以使受保护对象不受这些电磁波的干扰。可是电磁屏蔽材料并不能有效的消除电磁波辐射，反而会因为其反射回去的电磁波造成二次电磁污染。近些年来，微波吸收材料则是由于其能够有效吸收电磁波的特性而受到越来越多的关注，它可以通过相消干涉将电磁能转换为热能或者其他形式的能耗散掉，从而达到改善生存环境的效果。目前吸波材料已经被广泛的应用于军事隐身技术、保温节能和人体防护等领域，逐渐成为各国的研究重点。

根据微波损耗的机理，通常将微波吸收材料分为磁损耗材料和介电损耗两类。尽管损耗材料（例如磁性金属和铁氧体等）可以提供强大的微波吸收能力和宽频响应，但它们始终遭受高密度、不良的环境稳定性和严格的合成条件等困扰。而作为介电损耗材料的导电共轭聚合物、碳质材料、陶瓷和过渡金属氧化物，因其密度相对较低、稳定的化学性质和资源丰富等特点，越来越受到研究人员的青睐。因此高性能的介电损耗材料必将成为下一代微波吸收器最有潜力的候选材料之一。

碳材料由于其轻质、导电、耐酸碱和耐高温等优点，长期以来都是科学家们的热点研究对象，其在传感器、电极材料、能量存储等领域都展现出了不错的应用前景，同时它也被人们看作成潜在的微波吸收剂进行了研究。尽管碳材料在微波吸收性能方面取得了长足的进步，但单一相的碳材料由于它的相对复介电常数较高，无法实现良好的特性阻抗匹配，从而导致较窄的吸收频率带宽，限制了其在微波吸收领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于通过合理的设计碳材料内部的微观结构，优化材料的特性阻抗匹配以及实现电磁波在材料内部的多次反射/散射，使得材料微波吸收性能增强而提供的一种空心碗状碳微球的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：先通过溶胶-凝胶法制备单分散二氧化硅微球硬模板，随后将二氧化硅微球和吡咯单体充分混合后加入氧化剂过硫酸铵，使得吡咯单体在二氧化硅微球表面发生缓慢自聚合形成均匀核壳复合材料二氧化硅@聚吡咯。再通过氢氟酸刻蚀内部的二氧化硅模板，聚吡咯壳会因为自然塌陷得到碗状空心聚吡咯微球。最后将空心聚吡咯微球进行高温碳化，所得到的碳微球完美的保持了之前独特的空心碗状结构。

在本发明的制备均匀核壳复合材料二氧化硅@聚吡咯过程中，只有将单分散二氧化硅纳米微球与吡咯单体以及过硫酸铵按最佳摩尔比1:4:48混合，由于吡咯单体和过硫酸铵相对溶度较低，会减慢吡咯单体之间的聚合速度和聚合度，促进吡咯单体在二氧化硅微球表面聚合而不是自聚合，从而得到表面聚合均匀，壳层厚度恰当的核壳复合材料二氧化硅@聚吡咯。然后在刻蚀去除内部的二氧化硅模板的过程中，由于聚吡咯分子结构强度较低，会出现向空腔内部塌陷而又不完全破裂的情况，从而最终得到具有特殊结构的空心碗状碳微球。