一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法

1.本发明属于微波吸收材料领域，具体涉及一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法。


背景技术：

2.泡沫炭负载纳米金属复合材料，在满足吸收剂对材料轻质要求的同时增加了对入射微波的损耗能力，近些年来被很多学者所关注研究。金属纳米微粒可以简单的通过水热法、原位还原法或共沉淀法均匀的负载在泡沫炭材料的表面，但是负载在泡沫炭表面的金属微粒会阻碍微波进入材料内部，从降低了材料对微波的损耗。因此，开发一种简单经济的方法将纳米金属微粒均匀分散在泡沫炭内部是一项很有意义的工作。
3.面粉是一种粉状生物质材料，可以同含有金属离子的溶液混合形成溶胶，再通过共沉淀法在溶胶中形成分散均匀的纳米金属微粒，通过简单的机械搅促使纳米粒子在凝胶中分散均匀，且这些分散在凝胶中的纳米粒子不会聚沉；所形成的纳米金属微粒一方面在热解过程中可以促进泡沫炭的石墨化，提高泡沫炭的电导率，另一方面纳米金属微粒可以增加吸收剂对入射电磁波的损耗，进而提升吸收剂的吸波性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，解决纳米金属微粒在泡沫炭内部难以分散均匀的问题，设计一种简单经济的方法制备内部均匀负载纳米金属微粒的磁性泡沫炭微波吸收剂。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
7.1)将0.5～5g的金属盐试剂和2～20g的酒石酸钾钠溶解于150ml去离子水中，机械搅拌10～60min；
8.2)向步骤1)得到的溶液中添加5～100g面粉，机械搅拌10～60min使混合物变成溶胶；
9.3)向步骤2)得到的混合物中添加1～10g的氢氧化钠，机械搅拌10～60min溶解；
10.4)向步骤3)得到的混合物中添加2～20ml水合肼，并机械搅拌5～60min，直至反应结束，混合物变成凝胶；
11.5)将步骤4)得到的凝胶置于干燥箱中，50～150℃干燥5～15h；
12.6)将步骤5)得到的干燥产物置于管式炉中，在惰性气氛保护下热解；
13.7)将步骤6)冷却后所得产物用稀盐酸和去离子水洗涤，直至洗涤液ph＝7，干燥洗涤产物后，获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂。
14.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，步骤1)中，金属盐试剂包括铁、钴、镍的硫酸盐和氯化盐之其中一种或两种以上。
15.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，步骤1)、2)、3)、4)中，机械搅拌需要在20～80℃水浴加热下进行。
16.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，优选的，步骤3)中，按照质量比w
氢氧化钠
：w
面粉
＝1：5。
17.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，优选的，步骤4)中，水合肼的添加量为步骤3)得到混合物体积的1/50。
18.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，步骤6)中，热解工艺为：升温速率为2～10℃/min，热解温度为400～1000℃，热解时间为2～10h。
19.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，步骤7)中，干燥温度不高于80℃。
20.所述的负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，该吸收剂中的纳米金属颗粒均匀负载于泡沫炭，纳米金属占5wt.％，其余为泡沫炭；该吸收剂的孔径范围为1～5μm，孔隙率为80％。
21.本发明的设计思想是：负载在泡沫炭表面纳米金属微粒会对入射电磁波产生反射，需要设计一种简单的方案将金属纳米微粒均匀负载于泡沫炭内部。将生物质面粉作为前驱体均匀分散在含有金属离子的溶液中，形成均匀负载金属离子的溶胶，采用共沉淀法将金属离子还原成均匀分散在凝胶中的纳米金属微粒，凝胶可以保证纳米金属微粒不会聚沉，对干燥的凝胶进行热解即可获得均匀负载纳米金属微粒磁性泡沫炭微波吸收剂。
22.本发明的优点及有益效果是：
23.1、本发明以面粉作为前驱体，采用共沉淀法和溶胶凝胶法相结合的方法，成功制备出了内部均匀负载纳米金属微粒的磁性泡沫炭微波吸收剂，制备方法简单、对设备要求低，大大降低了生产成本。
24.2、相比于热解后在泡沫炭表面负载纳米金属微粒，热解前将微粒负载于凝胶中能更好的保证纳米金属微粒在泡沫炭内部的负载均匀性。所制得的吸收剂孔隙发达，质量轻，阻抗匹配好，对微波损耗强。
附图说明
25.图1为实施例1获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的sem形貌图。
26.图2为实施例1获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的电磁参数(20wt.％掺杂量)；图中，横坐标f代表频率(ghz)，纵坐标ε
′
为复介电常数实部，ε
″
为复介电常数虚部，μ
′
为复磁导率实部，μ
″
为复磁导率虚部。
具体实施方式
27.在具体实施过程中，本发明负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，包括如下步骤：(1)以面粉作为前驱体，采用溶胶凝胶法和共沉淀法相结合工艺，制备内部均匀分散有纳米金属微粒的凝胶；(2)采用一步热解法热解干燥后的凝胶，制备内部均匀负载有纳米金属微粒的磁性泡沫炭微波吸收剂。
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部是实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.本实施例中，一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，包括以下步骤：
31.步骤1：将2g的硫酸镍和15g的酒石酸钾钠添加到150ml去离子水中，40℃水浴加热下机械搅拌10min使其完全溶解；再向其中添加20g面粉，40℃水浴加热下机械搅拌1h，其混合物变成溶胶状。
32.步骤2：向步骤1获得溶胶中添加5g的氢氧化钠，40℃水浴加热下机械搅拌10min溶解后，向其中添加5ml水合肼，40℃水浴加热下机械搅拌1h后溶胶变成凝胶。
33.步骤3：将步骤2获得的凝胶放入干燥箱中，120℃下干燥12h。
34.步骤4：将干燥产物置于管式炉中在氩气保护下热解：以5℃/min的升温速率升温到600℃，保温2h后随炉冷却。
35.步骤5：将热解产物用稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗涤液的ph＝7，然后再用酒精洗涤两遍后，置于干燥箱中70℃干燥12h，获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂，该吸收剂中的纳米金属占1wt.％。
36.如图1所示，泡沫炭展现出典型的多孔结构，孔径约为2μm，孔隙率约为70％，扫描电镜观察到一些大的金属微粒均匀负载于泡沫炭内部。
37.如图2所示，实施例1中获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂样品同石蜡按照质量比w
样品
：w
石蜡
＝2：8掺杂后测得的电磁参数图。从图中可以看出，样品的介电常数实部在11～7范围中随着频率的升高呈现波动性减小，而虚部则随频率的升高在4～2范围内成波动性降低，说明样品具有较好的介电损耗；磁导率的实部大于1，虚部大于0，说明样品具有一定的磁损耗。
38.本实施例中，负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的性能如下：当掺杂量为20wt.％时，匹配厚度为2mm时，最大有效吸收带宽可达4.5ghz，最小反射率可达-30db。
39.实施例2
40.本实施例中，一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，包括以下步骤：
41.步骤1：将5g的硫酸铁和12g的酒石酸钾钠添加到150ml去离子水中，50℃水浴加热下机械搅拌10min使其完全溶解；再向其中添加20g面粉，50℃水浴加热下机械搅拌1h，其混合物变成溶胶状。
42.步骤2：向步骤1获得溶胶中添加6g的氢氧化钠，50℃水浴加热下机械搅拌10min溶解后，向其中添加6ml水合肼，50℃水浴加热下机械搅拌1h后溶胶变成凝胶。
43.步骤3：将步骤2获得的凝胶放入干燥箱中，120℃下干燥12h。
44.步骤4：将干燥产物置于管式炉中在氩气保护下热解：以7℃/min的升温速率升温到700℃，保温3h后随炉冷却。
45.步骤5：将热解产物用稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗涤液的ph＝7，然后再用酒精洗涤两遍后，置于干燥箱中60℃干燥12h，获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂，该吸收剂中的纳米金属占5wt.％。
46.本实施例中，泡沫炭展现出典型的多孔结构，孔径约为2μm，孔隙率约为80％，扫描电镜观察到一些大的金属微粒均匀负载于泡沫炭内部。负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的性能如下：当掺杂量为20wt.％时，匹配厚度为2mm时，最大有效吸收带宽可达4.2ghz，最小反射率可达-35db。
47.实施例3
48.本实施例中，一种负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的制备方法，包括以下步骤：
49.步骤1：将4g的硫酸钴和16g的酒石酸钾钠添加到150ml去离子水中，60℃水浴加热下机械搅拌10min使其完全溶解；再向其中添加20g面粉，60℃水浴加热下机械搅拌1h，其混合物变成溶胶状。
50.步骤2：向步骤1获得溶胶中添加7g的氢氧化钠，60℃水浴加热下机械搅拌10min溶解后，向其中添加6ml水合肼，60℃水浴加热下机械搅拌1h后溶胶变成凝胶。
51.步骤3：将步骤2获得的凝胶放入干燥箱中，120℃下干燥12h。
52.步骤4：将干燥产物置于管式炉中在氩气保护下热解：以10℃/min的升温速率升温到800℃，保温4h后随炉冷却。
53.步骤5：将热解产物用稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗涤液的ph＝7，然后再用酒精洗涤两遍后，置于干燥箱中70℃干燥12h，获得负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂，该吸收剂中的纳米金属占4wt.％。
54.本实施例中，泡沫炭展现出典型的多孔结构，孔径约为2μm，孔隙率约为70％，扫描电镜观察到一些大的金属微粒均匀负载于泡沫炭内部。负载纳米金属磁性泡沫炭微波吸收剂的性能如下：当掺杂量为20wt.％时，匹配厚度为2mm时，最大有效吸收带宽可达4.3ghz，最小反射率可达-20db。
55.实施例结果表明，本发明制备工艺简单，对设备要求低，原材料经济，所制得的吸收剂材料质量轻，孔隙发达，孔径分布均匀，阻抗匹配好，对微波同时具有介电损耗和磁损耗，具有优异的微波吸收性能。