一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料及其制备方法技术

一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料及其制备方法，属于电磁吸波材料技术领域，该方法以棉花和2‑甲基咪唑和硝酸钴为原料，通过甲醇溶液环境下的含钴金属有机框架ZIF‑67在棉花表面的原位生长得到ZIF‑67金属有机框架颗粒均匀包裹的棉花纤维前驱体。然后保护性气氛下高温热碳化制备得到一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料，密度为0.0198g/cm

A kind of CO / C nano particle coated cotton fiber absorbing material derived from organometallic framework and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料及其制备方法
本专利技术属于电磁吸波材料
，具体涉及一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料及其制备方法。
技术介绍
民用无线通讯技术的快速发展在带来便利生活的同时也造成了严重的微波辐射污染问题，另一方面军用雷达探测技术的发展，也对以战斗机，无人机为代表的军用飞行器提出了更高的隐身性能需求。因此，亟需开发具有廉价、轻质、强吸收等性能特点的高性能电磁波吸收材料。实际使用环境要求理想电磁波吸收材料具有材料密度轻、厚度薄、有效吸收频带宽、吸收强等特点。碳材料，尤其是生物质碳化衍生的多孔碳材料，由于轻质，高导电，强介电损耗等特性成为吸波材料的研究重点。但是，单纯非磁性碳材料的吸波效果受到阻抗不匹配和损耗机制单一的限制。结合磁性金属纳米颗粒能够大幅改善其阻抗匹配和电磁波吸收性能。然而，常见的Fe3O4等磁性颗粒密度大，易团聚给实际应用带来了困难，相比之下含Fe、Co、Ni元素的金属有机框架由于高孔隙率和特殊的纳米结构等特点，并能够通过直接碳化得到保持特殊纳米结构的轻质多孔Co/C纳米颗粒，成为改善碳基吸波材料吸波性能的理想磁性颗粒来源。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服纯碳基吸波材料阻抗不匹配和电磁波损耗机制单一造成的电磁波吸收能力不足的问题，提供一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料，所述吸波材料由空心棉花纤维和具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒组成，所述空心棉花纤维表面被具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒均匀包覆，构成管状核壳结构。一种上述的金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料的制备方法，所述方法的步骤为：步骤一：将棉花纤维烘干干燥去除水分；步骤二：配制2-甲基咪唑的无水甲醇溶液，将步骤一中干燥好的棉花浸入上述溶液，静置8～12h；步骤三：配制硝酸钴的无水甲醇溶液，再将硝酸钴的无水甲醇溶液倒入浸泡着棉花纤维的2-甲基咪唑的无水甲醇溶液中，震荡均匀，静置24～48h后将棉花纤维取出，酒精洗涤，放在烘箱中干燥，即得到ZIF-67金属有机框架颗粒包裹的棉花纤维前驱体；步骤四：取步骤三中制备得到的ZIF-67金属有机框架颗粒包裹的棉花纤维前驱体，放在管式炉中，惰性保护气氛下高温碳化，得到金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维吸波材料。本专利技术相对于现有技术的有益效果为：(1)本专利技术制备的材料实现了ZIF-67纳米颗粒在棉花纤维表面的均匀包覆。常见纳米颗粒修饰的碳基吸波材料制备过程中，由于纳米材料的表面能大，造成纳米颗粒易团聚难以实现均匀分散的问题。本专利技术通过将棉花纤维浸泡在2-甲基咪唑有机配体溶液中，实现有机配体在棉花纤维表面的均匀锚接，再通过添加硝酸钴溶液作为钴离子源在棉花纤维表面原位生长含钴元素的ZIF-67金属有机框架纳米颗粒的方法，实现了ZIF-67纳米颗粒在棉花纤维表面的均匀包覆，解决了纳米颗粒的团聚问题。(2)本专利技术制备的材料具有超低密度。Fe3O4等传统磁性金属或氧化物纳米颗粒吸波材料密度大(>5g/cm3)，难以满足应用需求。本专利技术通过选用高孔隙率金属有机框架ZIF-67纳米颗粒包裹空心管状棉花纤维，构筑超轻质材料结构。采用惰性气氛下高温热处理的方法，通过棉花纤维和ZIF-67金属有机框架纳米颗粒的高温热解碳化进一步降低材料密度，得到超轻质的金属有机框架衍生Co/C正十二面体纳米颗粒包裹的管状碳化棉花纤维吸波材料。材料表观密度仅0.0198g/cm3，解决了传统磁性吸波材料密度过高的问题。(3)本专利技术制备的材料最大吸收强度和有效吸收频带宽度指标均有大幅提升。传统吸波材料电磁波吸收强度低(<-15dB)，有效吸收频带窄(<3GHz)。本专利技术制备的超轻质金属有机框架衍生Co/C正十二面体纳米颗粒包裹的管状碳化棉花纤维吸波材料，通过添加磁性Co/C纳米颗粒改善了碳化棉花纤维的阻抗匹配效果，同时引入磁损耗机制，从而实现了材料厚度仅2mm条件下，<-10dB的有效吸收频带宽度达到5.6GHz(12.0-17.6GHz)，14.3GH处最大吸收强度达到-45.3dB。附图说明图1为实施例1使用的空心管状棉花纤维SEM图；图2为实施例1制备的ZIF-67金属有机框架包覆的棉花纤维SEM图；图3为实施例1制备的ZIF-67金属有机框架包覆的棉花纤维高放大倍数SEM图；图4为实施例1制备的超轻质的金属有机框架衍生Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维吸波材料SEM图；图5为实施例1制备的超轻质的金属有机框架衍生Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维吸波材料高放大倍数SEM图；图6为实施例1制备的金属有机框架衍生Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维在2mm厚度下2-18GHz电磁波反射率曲线图；图7为实施例2制备的金属有机框架衍生Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维在2mm厚度下2-18GHz电磁波反射率曲线图；图8为实施例3制备的金属有机框架衍生Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维在2mm厚度下2-18GHz电磁波反射率曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围之中。本专利技术以天然棉花为生物质碳源原材料，含Co金属有机框架作为磁性Co元素来源，通过在棉花纤维表面原位生长具有正十二面体微观形貌结构的含Co金属有机框架ZIF-67纳米颗粒得到ZIF-67金属有机框架纳米颗粒均匀包裹的棉花纤维前驱体，然后惰性保护性气氛下高温热碳化将棉花纤维碳化，得到金属有机框架衍生正十二面体Co/C纳米颗粒包覆的管状碳化棉花纤维吸波材料，同时实现金属有机框架的热解。性能特点为2mm厚度下反射损耗<-10dB的有效吸收频带宽度为5.6GHz(12.0-17.6GHz)，14.3GH处最大吸收强度达到-45.3dB。采用同轴传输线法测试了正十二面体Co/C纳米颗粒包覆的管状碳化棉花纤维吸波材料在2-18GHz频段的复介电常数和复磁导率电磁参数，并计算其反射率性能。相比于纯碳化纤维，正十二面体Co/C纳米颗粒包覆的管状碳化棉花纤维在1.8mm厚度下在14.7GHz处最大反射损耗达到-45.3dB，有效吸收频带宽度达到5.52GHz(12.04-17.56GHz)。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料，所述吸波材料由空心棉花纤维和具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒组成，所述空心棉花纤维表面被具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料，其特征在于：所述吸波材料由空心棉花纤维和具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒组成，所述空心棉花纤维表面被具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒均匀包覆，构成管状核壳结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料，其特征在于：所述吸波材料由空心棉花纤维和具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒组成，所述空心棉花纤维表面被具有正十二面体微观形貌的Co/C磁性纳米颗粒均匀包覆，构成管状核壳结构。


2.一种权利要求1所述的金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料的制备方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
步骤一：将棉花纤维烘干干燥去除水分；
步骤二：配制2-甲基咪唑的无水甲醇溶液，将步骤一中干燥好的棉花浸入上述溶液，静置8～12h；
步骤三：配制硝酸钴的无水甲醇溶液，再将硝酸钴的无水甲醇溶液倒入浸泡着棉花纤维的2-甲基咪唑的无水甲醇溶液中，震荡均匀，静置24～48h后将棉花纤维取出，酒精洗涤，放在烘箱中干燥，即得到ZIF-67金属有机框架颗粒包裹的棉花纤维前驱体；
步骤四：取步骤三中制备得到的ZIF-67金属有机框架颗粒包裹的棉花纤维前驱体，放在管式炉中，惰性保护气氛下高温碳化，得到金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包裹的碳化棉花纤维吸波材料。


3.根据权利要求2所述的金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述棉花为天然棉花或工业脱脂棉。


4.根据权利要求2所述的金属有机框架衍生的Co/C纳米颗粒包覆的碳化棉花纤维吸波材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述烘干...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宜彬，杨明龙，尹维龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23