[发明专利]空心碗状氮掺杂钴/碳复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种空心碗状氮掺杂钴/碳复合材料的制备方法，涉及电磁吸收材料技术领域。包括如下步骤：提供空心碗状磺化聚苯乙烯微球；配制钴盐甲醇溶液，所述钴盐甲醇溶液浓度为2～4g/L；以空心碗状磺化聚苯乙烯微球和2‑甲基咪唑为原料，以无水甲醇为反应溶剂，于65～80℃时，向反应溶液中加入所述钴盐甲醇溶液，继续反应0.5～1.5h，获得前驱体；在氮气气氛中，将获得的前驱体在700～900℃保温1.5～3h，冷却，即得所述复合材料。本发明提供的中空碗状结构过渡金属(Co)掺杂(N)分级多孔结构碳复合材料，利用MOFs的组分与微结构可调特性调节复合材料的介电常数至低频范围，同时特殊的中空碗状构型加强多重损耗，拓展吸波频带，实现吸波材料在薄层下的宽带吸收。

技术领域

本发明涉及电磁吸收材料技术领域，具体涉及一种空心碗状氮掺杂钴/碳复 合材料、制备方法及应用。

背景技术

磁电复合损耗是电磁波在物质中的主要损耗机制之一，它结合了磁损耗和 电损耗的诸多损耗特性，如电阻性损耗、磁滞损耗和阻尼损耗等。通常，磁损 耗吸波材料多为铁磁性材料，包括Co、Zn基铁氧体及其掺杂体系等。电损耗 吸波材料则分为电阻损耗吸波材料和介电损耗吸波材料两类，包含碳基材料 (石墨、碳纳米管等)、导电聚合物、等离子材料等。铁磁性材料与碳基材 料复合即可形成磁电复合损耗吸波材料，这两类基体材料的复合方式和复合结 构对磁电复合损耗效能产生重要的影响。研究表明吸波材料的纳米分级结构 可以提高吸波性能，如多孔花状Co/CoO粒子最佳电磁波反射系数(RC)为 -50dB，有效吸波频宽提升为13.8-18GHz。研究表明，金属、金属氧化物和某 些非金属材料的纳米微粉由于其自身高表面原子比例，高浓度晶界和晶界原子 的特殊结构导致材料在电磁辐射下，原子、电子运动加剧，促使电磁能转化为 热能，增加了材料对电磁波的吸收。纳米吸波材料具有吸波频带宽、兼容性好、 质量轻、厚度薄等特点，是一种具有广阔发展前景的吸波材料。

目前基于高效的低频宽带吸波材料如何增强损耗，拓宽吸波频带的研究鲜 有报道，尤其是针对材料的介电常数和阻抗匹配特性调控至低频范围的研究还 未见报道。其难点在于：组分和结构易调控复合材料的精准构筑是基础，如何 调控材料的介电常数和阻抗匹配特性至低频范围是关键，进而获得高性能的吸 波材料；材料的低频吸波机理不明确，无法科学合理地设计高效的低频吸波材 料。

为了实现上述目的，本领域技术人员采用界面策略构建磁性羰基铁薄片作 为生长铁氧体的衬底，在界面效应及散射效应等协同作用下，复合材料在1.5 mm厚度下有效吸收带宽(effective absorbing bandwidth,EAB,RC≤-10dB)为6.2 GHz；郑州大学张锐教授等进一步证明中空结构的空腔带来的高比表面积和大 的气孔率有利于改善吸波剂与自由空间的阻抗匹配性能。研究表明中空结构的 本质是在吸波剂内部结构中引入金属/碳-空气界面，使材料具有更好的阻抗匹 配性能，电磁波可以更多的进入到材料内部而被消耗。界面处产生的界面极化 有助于提高材料的电磁波损耗能力。尤其对含有分级多孔结构碳的复合材料， 电磁波在微球间及内部孔发生反射及衍射，能够延长电磁波的通过路径。多层 界面设计的存在可以多次消耗电磁波，当电磁波进入不同界面时，损耗增加， 并且由于异质结界面处会富集电荷，以界面极化的形式增加不同机制电磁波的 损耗能力，拓宽电磁波吸收频带。然而，关于中空碗状结构磁性多孔复合材料 在电磁波吸收领域的研究非常少。为此，对中空磁性金属多孔结构碳复合材料 的组分和结构设计进行调控，有望实现材料电磁参数的有效移动，需要更多的 研究工作进行探索与验证。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中的不足，本发明提供的一种空心 碗状氮掺杂钴/碳复合材料、制备方法及应用。本发明提供的中空碗状结构过渡 金属(Co)掺杂(N)分级多孔结构碳复合材料。利用MOFs的组分与微结构 可调特性调节复合材料的介电常数至低频范围，同时特殊的中空碗状构型加强 多重损耗，拓展吸波频带，最终实现吸波材料在薄层下的宽带吸收。

本发明第一个目的是提供一种空心碗状氮掺杂钴/碳复合材料的制备方法， 包括如下步骤：