通过点击化学方法制备MWCNTs/Si?N?/PPy三元复合材料及其吸波性能

《Vacuum》：Preparation of MWCNTs/Si 3N 4/PPy ternary composites via click chemistry and wave-absorbing properties

MWCNTs/Si3N4二元复合材料通过点击化学合成，并制备出MWCNTs/Si3N4/PPy三元复合材料。研究表明，当配比为2:1:4且厚度2.5mm时，三元材料RLmin达-40.14dB，EABmax为6.88GHz，显著优于二元材料。机理涉及多异质界面形成电荷积累与电容效应，PPy涂层增强表面积与阻抗匹配。

　　在现代科技的不断进步中，电子系统和设备的应用变得更加智能化和普及化，这不仅提升了信息社会的便利性，也带来了新的挑战，尤其是电磁干扰和污染问题。这些问题对信息通信、国防安全以及人类健康构成了潜在威胁，因此，研究高效能的微波吸收材料成为当前科技领域的重要课题。随着对材料性能要求的不断提高，科学家们开始探索各种复合材料，以期在微波吸收能力上实现突破。

碳纳米管（CNTs）因其高比表面积、低密度和优异的导电性，逐渐成为电磁波吸收材料的热门选择。在这些碳纳米管中，多壁碳纳米管（MWCNTs）由于能够形成三维导电网络，从而促进电子转移，增强导电损耗，进一步提高材料的衰减系数和吸收性能。然而，MWCNTs的高导电性也带来了一些问题，例如皮肤效应，这可能会破坏材料的阻抗匹配，影响电磁波的穿透效果。因此，许多研究者尝试将MWCNTs与其他材料结合，以优化其阻抗匹配性能，从而在电磁波吸收能力上取得更好的平衡。

陶瓷基复合材料由于其优异的机械性能、化学和热稳定性，以及抗氧化和抗腐蚀能力，也被广泛应用于电磁波吸收材料的研究。在众多陶瓷材料中，氮化硅（Si?N?）因其高温耐受性、低密度、抗氧化能力和出色的机械性能，成为理想的候选材料。此外，Si?N?的介电性能可以通过调整来适应不同的应用场景，使其在电磁波吸收和传输领域具有广阔的应用前景。已有研究表明，通过化学气相渗透等方法制备的三维多孔碳泡沫/CNTs@Si?N?异质结构，能够实现显著的微波吸收性能，例如最低反射损耗达到?56.3 dB，显示出其在电磁波吸收领域的潜力。

与此同时，聚合物基复合材料也表现出良好的电磁波吸收性能。其中，聚吡咯（PPy）因其合成工艺简单、密度低、导电性可调、耐腐蚀性和易于制备等优点，成为一种重要的导电聚合物材料。研究人员将PPy涂层应用于多种基底材料，如碳材料、磁性材料和介电材料，以优化这些材料的阻抗匹配性能，从而增强其微波吸收能力。例如，通过水热条件下的原位聚合制备的MWCNTs/还原氧化石墨烯/PPy三元复合材料，实现了最低反射损耗?57 dB和最大吸收带宽4.6 GHz的优异性能。而采用原位聚合方法制备的PPy涂层碳纳米管复合材料，经过纳米Fe?O?修饰后，最低反射损耗达到?51.67 dB，最大吸收带宽为4.88 GHz。此外，通过水热结晶方法制备的BaTiO?/TiO?二元材料，再引入FeCl?以引发吡咯单体的氧化聚合，成功制备了BaTiO?/TiO?@PPy复合材料，其最低反射损耗达到?21.80 dB，最大吸收带宽为4.2 GHz，显示出PPy在电磁波吸收中的重要作用。

在本研究中，我们采用化学点击方法制备了MWCNTs/Si?N?二元复合材料。在此基础上，我们进一步合成了MWCNTs/Si?N?/PPy三元复合材料，并进行了系统的性能研究。首先，我们对纳米MWCNTs和纳米Si?N?进行了表面改性，通过在它们的表面引入末端炔基和叠氮基团。随后，我们利用点击反应将这两种材料进行共价结合。接着，我们通过原位聚合方法分析了不同配比、结构和形貌对微波吸收性能的影响。通过这种方法，我们不仅实现了材料的结构优化，还进一步提高了其电磁波吸收能力。

研究结果显示，随着PPy含量的增加，纳米复合材料的最低反射损耗（RL_min）在初期呈现下降趋势，随后又有所回升。当MWCNTs:Si?N?:PPy的配比为2:1:4，且吸收层厚度为2.5 mm时，最低反射损耗达到了?40.14 dB，而最大吸收带宽（EAB_max）达到了6.88 GHz。相比之下，当吸收层厚度为2.0 mm时，最大吸收带宽进一步扩大至6.88 GHz。与MWCNTs/Si?N?二元复合材料相比，三元复合材料在电磁波吸收方面表现出更强的能力。这种增强效应主要归因于MWCNTs、Si?N?和PPy之间形成的大量异质界面，这些界面有助于电荷的积累，从而在材料内部形成类似电容器的结构，诱导界面极化，并通过与交变电场对齐的极性键或电荷来衰减电磁波。

此外，MWCNTs/Si?N?二元纳米复合材料在PPy涂层之后表现出更大的表面积，这进一步增强了材料的阻抗匹配能力，延长了电磁波在材料中的传播距离，并提高了其能量耗散能力。这种结构优化不仅提升了材料的吸收性能，也为未来的设计提供了新的思路。

本研究的成果对微波吸收复合材料的制备具有重要的理论和实践意义。通过化学点击方法，我们成功实现了MWCNTs和Si?N?之间的共价结合，避免了传统物理混合方法所带来的性能局限。同时，PPy的引入进一步增强了材料的吸收能力，使其在多个频率范围内表现出优异的电磁波吸收性能。这一研究不仅为开发新型微波吸收材料提供了理论支持，也为相关材料的设计和应用提供了新的方向。

在实际应用中，电磁波吸收材料广泛用于雷达隐身、电磁兼容、无线通信干扰抑制以及防电磁辐射等领域。因此，研究具有高效能、低成本和可大规模生产的吸收材料，对于推动相关技术的发展具有重要意义。本研究中，通过化学点击方法制备的MWCNTs/Si?N?二元复合材料，结合PPy的三元复合材料，展现出在微波吸收方面的显著优势。这种材料不仅能够有效衰减电磁波，还具有良好的阻抗匹配性能，使其在实际应用中具有广阔前景。

此外，随着电磁波吸收材料研究的不断深入，越来越多的研究关注如何通过结构设计和材料改性来提升其性能。例如，通过引入多孔结构、调整材料配比、优化界面特性等方法，可以显著提高材料的吸收能力。在本研究中，我们通过原位聚合方法实现了PPy的均匀包覆，这不仅提高了材料的表面覆盖率，还增强了其阻抗匹配能力，使其在更宽的频率范围内表现出优异的吸收性能。同时，我们对材料的形貌、结构和电磁参数进行了系统的表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和红外光谱（FT-IR）分析，这些分析结果为理解材料的吸收机制提供了重要依据。

通过这些研究，我们不仅揭示了MWCNTs/Si?N?/PPy三元复合材料在微波吸收中的作用机制，还为未来的材料设计提供了新的思路。例如，通过调整材料配比、优化表面改性方法、引入不同的导电聚合物等，可以进一步提升材料的吸收性能。此外，我们还发现，通过化学点击方法实现的共价结合，能够有效增强材料的结构稳定性，使其在复杂的电磁环境中表现出更好的性能。

本研究的成果不仅具有重要的理论价值，也具有显著的实践意义。通过系统的研究和优化，我们成功制备了一种具有优异微波吸收性能的复合材料，其最低反射损耗达到了?40.14 dB，最大吸收带宽达到了6.88 GHz。这种材料在未来的雷达隐身、电磁屏蔽和通信干扰控制等领域具有广阔的应用前景。此外，本研究还为其他类型的复合材料提供了参考，例如通过化学点击方法制备的MWCNTs/其他陶瓷/导电聚合物复合材料，可能会在微波吸收性能上取得更好的效果。

总的来说，本研究通过化学点击方法实现了MWCNTs和Si?N?之间的共价结合，并进一步引入PPy，成功制备了一种具有优异微波吸收性能的三元复合材料。这种材料不仅在结构上表现出良好的稳定性，还在电磁波吸收方面展现出显著的优势。通过系统的实验和分析，我们揭示了材料的吸收机制，并为未来的材料设计提供了新的思路。这些研究结果不仅对微波吸收材料的开发具有重要的理论和实践意义，也为相关领域的技术进步提供了有力支持。