卓立汉光拉曼光谱仪助力卫生纸基材实现低成本和宽带微波吸收

研究背景

随着 5-6 代通信技术的快速发展，电磁污染问题日益突出，对低成本、宽频高效的微波吸收材料（MAMs）需求迫切。基于碳线圈（CC）的微波吸收材料（MAMs）因其独*的3D螺旋形状、优异的分散性和适当的导电性，在微波吸收（MA）领域具有良好的应用前景。然而，CC通常生长在平坦和坚硬的基材（如 Al₂O₃、石英、陶瓷）上上，随后从基材上刮下。亚稳态的消耗和刮削过程不可避免地增加了制备成本，这限制了CC的大规模生产和应用。碳酸化卫生纸（CTP）不仅是一种廉价高效的MAM，而且具有催化剂负载能力，使其适合作为CC生长的基材。同时，CTP和生长的CC可以一起用作MAM，而无需将它们彼此分离。这大大降低了生产成本。

大连理工大学潘路军教授课题组，在近期工作提中，通过镍催化化学气相沉积工艺在CTP上成功合成了螺旋碳微线圈（CMC）。CTP和CMC形成了一种集成的吸收复合材料，其中螺旋CMC同时增强了导电损耗和交叉极化损耗，CTP和CMC之间的连接引起了界面极化损耗。通过精确控制催化剂的量，可以调节CTP/CMC的阻抗。优化后的CTP/CMC-10复合材料具有优异的微波吸收性能，有效带宽（反射损耗<-10 dB）为7.4 GHz，填充率为10%。这项工作为开发低成本、宽带和高效的MAM铺平了新的道路。该成果以“Integration of helical carbon microcoils on toilet paper substrates for low-cost and broadband microwave absorption”为题发表在《Carbon》期刊，第一作者是邓刘金博。

研究成果

图1展示了CTP/CMC的制备流程。将卫生纸切成30×30毫米的正方形。在镍催化剂被均匀地喷涂在卫生纸上。将喷涂有镍催化剂的薄纸放置在管式炉中，将卫生纸位置加热至710°C。最后，通过引入25sccm的C2H2气体和流量比为350sccm的Ar气氛1小时来合成CMS/CNC。在其他条件不变的情况下，将Ni催化剂喷涂在卫生纸上5次、10次和20次，所得样品分别标记为CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20。

图1：CTP/CMCs的SEM图

图2显示了喷涂到CTP上的Ni纳米催化剂的SEM图像。CTP纤维呈扁平的线性形状，宽度约为15.0μm。镍纳米粒子均匀地涂覆在CTP上。随着喷涂次数的增加，镍催化剂的负载量显著增加。CMC呈现螺旋结构，大量CMC在CTP基材上合成。

图2：CTP/CMC的SEM图

图3显示了CTP/CMC-10的TEM图像，CMC呈现螺旋形态。CMC内的碳呈现出非晶态多晶结构。碳原子层之间的平均间距为0.37nm。在CMC的XRD中观察到24.5°和43.0°处的两个宽峰，分别对应于石墨碳的（002）和（100）平面。没有观察到Ni的吸收峰，这可能是由于镍含量低。CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20的ID/IG值分别为2.51、2.44和2.37。由于CMC的缺陷水平低于CTP，ID/IG值逐渐降低。CTP/CMC复合材料的石墨化程度增加。

图3: CTP/CMC-10的TEM图像，XRD，拉曼光谱和FTIR光谱。

图4显示了CTP/CMC的复介电常数。CTP/CMC的介电常数随着镍喷涂次数的增加而逐渐增加。ε^''的逐渐增加表明CMC的生长丰富了导电网络。图4d-f显示了科尔-科尔半圆。在图4d中，CTP/CMC-5显示了两个半圆，这归因于螺旋CMC引起的交叉极化和CMC和CTP内的多晶无定形碳引起的界面极化。在图4e中，CTP/CMC-10呈现三个半圆。半圆数量的增加表明，除了多晶非晶碳之间的交叉极化和交叉极化外，CTP和CMC之间还形成了界面，增加了极化位点，改善了界面极化。在图4f中，CTP/CMC-20显示了两个半圆，与CTP/CMC-10相比，其偏振数较低。这是由于CMC增长显著增加，CTP/CMC-20中几乎完*是CMC，减少了CMC和CTP之间的界面。

图4：CTP/CMC电磁参数。

图5显示了CTP/CMC的RL曲线。图5a显示CTP/CMC-5的MA性能较差。在5.9 GHz和5.5 mm厚度下，RLmin值为-17.4 dB。从图5b可以看出，CTP/CMC-10表现出优异的MA性能，RLmin为-40.1 dB（7.6 GHz，3.5 mm），EAB为7.4 GHz（10.6-18.0 GHz，2.2 mm）。此外，如图5c所示，CTP/CMC-20表现出良好的MA性能，EAB为6.5 GHz（11.5-18.0 GHz，2.2mm）。图5d-f显示了CTP/CMC的阻抗匹配。图5d显示CTP/CMC-5样品的Z峰约为1.3，表明阻抗不匹配。如图5e所示，CTP/CMC-10的Z峰约为1.0（红线），表现出良好的阻抗匹配。这表明CMC的生长调节了CTP/CMC的阻抗，促进了其MA性能。如图5f所示，CTP/CMC-20的Z峰为0.8，阻抗匹配度不如CTP/CMC-10，这与MA性能是一致的。

图5：CTP/CMCs的吸波性能

图6显示了CTP/CMC的MA机制。CTP具有成本低、重量轻和宽带吸收的优点，同时为CMC的生长提供了天然的基质。螺旋CMC的合成同时改善了电导率损失和交叉极化损失。同时，CTP和CMC之间的连接会产生许多极化位点，从而增强界面极化。通过改变Ni催化剂的量，可以调节CMC的生长，这也调节了CTP/CMC的阻抗。由于其丰富多样的吸收机制，CTP/CMC-10取得了优异的MA性能。

图6：CTP/CMCs吸波机制

综上，通过镍催化CVD工艺成功合成了集成螺旋CTP/CMC。CTP不仅是一种廉价高效的MAM，而且具有催化剂负载能力，使其适合作为CC生长的底物。CTP和CMC形成集成的MA复合材料，其中螺旋CMC同时增强导电损耗和交叉极化损耗，CTP和CMC之间的连接引起界面极化损耗。通过精确控制催化剂的量，可以调节CTP/CMC的阻抗。优化后的CTP/CMC-10复合材料具有优异的微波吸收性能，EAB为7.4 GHz，填充率为10%。这项工作促进了低成本、宽带和高效MAM的发展。

课题组简介

潘路军，大连理工大学物理学院教授，博士生导师。1988年于西安交通大学电气工程系电气绝缘技术专业本科毕业；1994年赴日本大阪府立大学工学部电子物理专业留学。2000年获博士学位并留校担任助理教授，其间兼任日本科学技术振兴机构（JST）及日本新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）研究员；2007年底回国工作，受聘大连理工大学教授，博士生导师。历任物理与光电工程学院光电工程系主任、物理与光电实验中心主任、光学学科点负责人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等国际著名纳米期刊上发表论文80余篇；主编《基础光学》，参编《ディスプレイ材料と機能性色素（显示器材料和机能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（场发射型显示器）》、《Handbook of Nano Carbon （纳米碳手册）》

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