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东华大学李召岭&丁彬Carbon:电纺碳纳米纤维吸波材料的研究进展

2023-07-24   易丝帮

随着电信行业的快速发展和电子产品的广泛使用,电磁波(EMW)辐射污染已成为个人医疗、信息安全和军事隐身领域的一个重要环境问题或安全威胁。然而,开发轻质、柔性且高效的EMW吸收材料,以减轻宽范围频率下的不利干扰,是迫切需要但又是极具挑战的。包括碳、金属和固有导电聚合物在内的许多磁性和导电材料可用于EMW吸收材料。其中,电纺碳纳米纤维(CNFs)因其质地柔软、多孔纤维结构、高比表面积和成分可调等优点而被认为是高性能EMW吸收材料的理想选择。本综述系统地总结了近年来静电纺丝法制备不同纳米结构碳纳米纤维膜的研究进展。对电磁波吸收机理、制备工艺、性能表征、实际应用、存在的问题和未来前景进行了详尽的描述。综上,本文有望为相关研究领域的潜在学者提供有指导意义的信息。

 

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图1.穿过EMW吸收材料的入射波示意图。


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图2.建筑外墙保温结构示意图。


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图3.用于EMW吸收的碳纳米结构复合材料的可调谐性和多功能性。


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图4.导电聚合物的互连方面及其特定应用的优化性能。


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图5.不同导电性材料的EMW传播模型。


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图6.不同功能导电聚合物的工作机制:(a)物理吸收,(b)包埋,(c)共价键,和(d)掺杂。


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图7.用于EMW吸收的创新结构。(a)混合电介质与磁性材料结构的示意图。(b)多层结构材料示意图。(c)双层电波吸收体的结构。(d)核壳结构材料的示意图。(e)分散在石蜡中的FeCo/C纳米囊的高分辨率TEM图像和(f)RL。(g)多孔结构材料的示意图。(h)多孔Fe3O4/碳核/壳纳米棒的放大TEM图像和(i)RL。


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图8.(a)复合材料吸收机理示意图。(b,c)CF@G和CF@G@PPy气凝胶在2-18GHz波段的最终性能和(d)沿轴的横截面图像。


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图9.(a)显示CNF-PCNT的制造示意图,(b)TEM图像,(c)EMW的传播路线。(d)EMW吸收机理依赖于CNFs的内表面。在(e)800和(f)1100℃下制备的产品的RL。(g)Fe-SA-600样品表面反射损耗的可能机制和(f)Fe-SA-600样品的RL


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图10.具有一维结构的轻质多孔纳米纤维。FE-SEM图像描绘了在不同碳化温度下制备的多孔Co/CoO纳米纤维:(a)Co-500、(b)Co-600、(c)Co-700和(d)Co-800。此外,还显示了PVDF/Ni链复合材料潜在的EMW吸收机制示意图,包括(e)界面极化和传导损耗,以及(f)多次反射和散射。


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图11.不同煅烧温度下多孔Co/CoO纳米纤维的最小RL值的3D图像。


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图12.(a)CNFs/Co3O4复合膜的合成过程示意图,(b)CNFsCA4的FE-SEM图像,(c)Co3ONPs尺寸的统计直方图,(d)CNFsCA2、(e)CNFsA3、(f)CNFsCA4的纤维直径,插图显示CNFsCA4膜可以直接通过磁铁操作,(g)CNFsCA4的HR-TEM图像,插图为SAED图案,(h)无定形碳层的HR-TEM图像,以及显示(i)CNFs、(j)CNFsCA2、(k)CNFsCA3和(l)CNFsCA4膜柔性的数字图像。(m)CNFs、CNFsCA2、CNFsCA3和CNFsCA4膜的XRD图像,(n)CNFs(d=3.5mm)、CNFsCA2(d=5mm)、CNFsCA3(d=5mm)和CNFsCA4(d=2mm)的RL,(o)当频率为2-18GHz、厚度为1至5mm时CNFsCA4的RL。


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图13.(a)通过静电纺丝方法制备样品的过程示意图。(b)NiFe2O4/MWCNTs CNFs、(c)NiFe2O4 CNFs的FE-SEM图像,插图为展示柔性的数字图像,(d)NiFe2O4/MWCNTs CNFs的HR-TEM图像,插图为NiFe2O4的SAED图案,(e)无定形碳层的HR-TEM图像,(f)NiFe2O4/MWCNTs CNFs和(g)NiFe2O4 CNFs样品的纤维尺寸统计直方图,插图显示NiFe2O4/MWCNTs CNFs膜可以简单地通过一小块磁铁进行操作,(h)NiFe2O4/MWCNTs CNFs复合样品的EDX图案,(i)XRD曲线。当频率为2-18GHz、厚度为1至5mm时,(j)NiFe2O4/MWCNTs CNFs和(k)NiFe2OCNFs膜的RL。


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图14.(a)复合材料的生产技术。(b)NA2 CA2 CNT CNFs的HR-TEM图片展示了NPs形式和晶格距离。(c)HR-TEM照片显示了无定形石墨碳层和管壁。(d)CNT表面上的铁磁NA2 CA2 NPs,插图为SAED图像。(e)NA2 CA2 CNT CNFs的FE-SEM图像,插图显示了平均纤维直径、膜的柔性,(g)样品在2-18GHz频率范围内的f-1(μ’)-2μ”的值,(h)厚度为5.5mm的所有复合膜在2-18GHz频率范围内的RL,以及(i和j)当厚度为1至5.5mm、频率为2-18GHz时NA2 CA2 CNT CNFs膜的RL和相应的3D呈现。


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图15.(a)复合样品的合成步骤,(b和c)C2F2T rGO2@CNFs复合样品的FE-SEM图像和横截面,(d)rGO和(e)C2F2T rGO2@CNFs纤维(显示孔隙结构)的HR-TEM图像,(f,g)C2F2T rGO2@CNFs的STEM图像、元素映射和EDX图谱,(h,i)拉曼光谱和XRD图谱,(j,k)FT-IR光谱和氮气吸附-解吸等温线,(l,m)2D-NLDFT孔径分布曲线和BJH多孔结构分析,(n)HK模型多孔结构分析;(o)GO的FE-SEM图像,(p和q)不同厚度的复合膜在2-18GHz下的RL和相应3D性能。


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图16.由CNFs制成的中空多壳杂化纳米纤维的制备过程及表征。(a)HM-SHNF的制备步骤。(b)CNFs和(c)碳化的PPy官能化CNFs HM-SHNF的FE-SEM。(d)PPy官能化CNFs HM-SHNF的EDX光谱和化学结构以及组分的重量比。(h)功能化CNFs的TEM图像和SAED图像(插图)。(i)HM-SHNF的XRD衍射图谱。(j)CNFs和碳化的PPy官能化CNFs-1的拉曼光谱。


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图17.基于CNFs的材料在电磁波吸收中的实际应用。

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