一种螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料及其制备方法与应用

本发明涉及一种螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料及其制备方法与应用，属于材料特别是电磁波吸收材料。

背景技术：

1、随着电子设备和无线信息技术的发展，电子技术在工业、商业等领域得到了广泛运用，在使得人们的生活变得便利的同时，也产生了大量的电磁辐射污染。在军事领域中，随着雷达探测技术的快速发展，电磁波被广泛应用于军事目标的侦察与探测中，严重影响军事装备的战场生存与突防能力。如何降低军事目标的雷达反射回波信号，即提高对电磁波的吸收衰减能力，提升隐身性能，成为衡量武器装备战技性能的关键指标之一。吸收材料可通过电损耗、磁损耗等机制将电磁波能量转化为热能等其他能量，降低军事目标的雷达反射回波信号。因此，吸波材料的设计与制备已成为超视距现代战争中提高战术突防能力和装备生存能力不可或缺的手段。

2、螺旋形多壁碳纳米管作为手性材料，具有较高的电子迁移率、较大的比表面积、多个悬挂位点以及良好的频率适应性和电磁可调谐性，产生多型介电极化弛豫和多重电磁波反散射，能实现宽带雷达吸收，进而可作为吸波材料的网络框架。掺杂钡铁氧体由于其较大的比饱和磁化强度、较高的磁晶各向异性、良好的化学稳定性、较低的生产成本和电磁可调谐性，并且适合在ghz范围内吸收电磁波，进而受到科研学者的广泛关注。此外，它还可以在不同的频带上实现多个磁共振。离子掺杂可以促进fe3+向fe2+的转化，调节电磁参数，产生新的超交换相互作用，引入双磁共振，提高偶极子浓度，优化阻抗匹配和电磁损耗特性，进一步增强钡铁氧体的电磁波吸收特性。但上述两类材料分别存在强趋肤效应、质量密度大等缺点。

3、因此，提供一种新型的螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料及其制备方法与应用已经成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料。本发明提供的螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料可实现螺旋碳纳米管和掺杂钡铁氧体这两种材料的复合、良好搭接以及有效分散，可有效调控材料电磁特性，增强阻抗匹配性能，构筑电磁耦合网络的形成，具有较多暴露表面，增强协同介电和磁损耗能力，进一步拓宽材料的有效吸收频段和增强反射损耗。

2、本发明的另一个目的还在于提供以上所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料的制备方法。

3、本发明的又一个目的还在于提供以上所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料作为吸波材料在军事装备隐身、电子设备抗电磁干扰、医疗辐射防护或者航空航天中的应用。

4、为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料，其中，所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料为富含微观空腔和导电网络的蓬松网状结构，即为疏松多孔、轻质导电的网状结构，包括掺杂钡铁氧体以及螺旋多壁碳纳米管，所述掺杂钡铁氧体为由掺杂钡铁氧体颗粒呈片状生长形成的掺杂钡铁氧体片，螺旋多壁碳纳米管附着在掺杂钡铁氧体颗粒表面和缝隙间，螺旋多壁碳纳米管的活性位点与掺杂钡铁氧体搭接，进而掺杂钡铁氧体片和螺旋多壁碳纳米管之间以管-片结构相互重叠。

5、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，所述螺旋多壁碳纳米管与掺杂钡铁氧体的质量比为1:10-1:20。

6、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，所述螺旋多壁碳纳米管为酸化螺旋多壁碳纳米管。

7、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，所述掺杂钡铁氧体包括bafe12-xzrxo19，式中x为0.2-0.6或者bafe12-2xzrxcoxo19，式中x为0.3-0.5。在本发明的一些实施例中，所述掺杂钡铁氧体例如可为bafe11.6zr0.4o19、bafe11co0.5zr0.5o19或者bafe11.2zr0.4co0.4o19等。

8、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料为表面活性剂改性的螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料。

9、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料与表面活性剂之间的质量比为1:2-1:3。

10、作为本发明以上所述复合材料的一具体实施方式，其中，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮及十二烷基硫酸钠等的一种或者两种的组合；

11、优选为十二烷基硫酸钠。

12、另一方面，本发明还提供了以上所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：

13、步骤一：按照掺杂钡铁氧体的化学式称取铁源、钡源和掺杂金属源并将其溶于去离子水配成溶液；向所述溶液中加入络合剂使其充分溶解后加入ph调节剂，在搅拌条件下使金属阳离子与络合剂进行充分络合反应；向络合反应后所得溶液中加入螺旋多壁碳纳米管，再加热蒸发，使之脱水得到溶胶；对溶胶进行煅烧，得到螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料粉末；

14、步骤二：将螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料粉末置于溶剂中搅拌分散后进行过滤，再对滤渣进行清洗、干燥，得到所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料。

15、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，络合剂与溶液中所有金属阳离子之和的摩尔比为1.8-2.2:1；

16、优选地，所述络合剂包括柠檬酸等。

17、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，加入ph调节剂将溶液ph值调节至6-9；

18、优选地，所述ph调节剂包括氨水等。

19、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，加热蒸发的温度为80-90℃，时间为24-48h。

20、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，所述煅烧包括：以5-10℃/min的升温速率升温至400-500℃预热1-3h；再于保护气气氛下以10-20℃/min的升温速率升温至1000-1200℃，煅烧5-7h，最后自然冷却至室温；

21、优选地，所述保护气气氛包括氩气气氛等。

22、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，所述螺旋多壁碳纳米管与掺杂钡铁氧体粉末的质量比为1:10-1:20。

23、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，所述制备方法还包括：

24、向步骤二的所述溶剂中加入表面活性剂并混合均匀，得到浓度为10-15g/l的表面活性剂溶液；

25、将螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料粉末置于表面活性剂溶液中搅拌分散后进行过滤，再对滤渣进行清洗、干燥，得到表面活性剂改性的螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料；

26、其中，螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料粉末与表面活性剂之间的质量比为1:2-1:3。

27、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，步骤二中，所述溶剂包括乙醇或去离子水等。

28、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，步骤二中，所述搅拌的时间为1-6h。

29、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，步骤二中，所述干燥的温度为60-120℃，时间为6-24h。

30、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，其中，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮及十二烷基硫酸钠等的一种或者两种的组合；

31、优选为十二烷基硫酸钠。

32、在本发明以上所述制备方法的步骤二中，过滤、清洗及干燥均为常规操作，可根据现场实际情况选择合适的方法、使用合适的物料和工艺参数等进行过滤、清洗及干燥，只要保证可以实现本发明的目的即可。

33、又一方面，本发明还提供了以上所述螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料作为吸波材料在军事装备隐身、电子设备抗电磁干扰、医疗辐射防护或者航空航天中的应用。

34、本发明提供的螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料由螺旋多臂碳纳米管和掺杂钡铁氧体复合得到，具有富含微观空腔和导电网络的蓬松网状结构，螺旋多臂碳纳米管和掺杂钡铁氧体两者的复合可以优化和调整所得复合材料的电磁参数。其中，掺杂钡铁氧体的添加可以解决螺旋多臂碳纳米管的趋肤效应和屏蔽效应，螺旋多臂碳纳米管的复合可以增强掺杂钡铁氧体的电荷转移能力和界面极化能力。除磁性-介电组分筛选，即筛选合适的螺旋多臂碳纳米管和掺杂钡铁氧体外，组分比例、界面特性以及形貌结构(即是指通过使用表面活性剂将螺旋多臂碳纳米管和掺杂钡铁氧体两种材料良好搭接，不产生团聚，以及复合材料具有蓬松多孔网状结构和较高的比表面积)在二元多孔网状复合材料，即螺旋碳纳米管/掺杂钡铁氧体复合材料的构筑中也起着重要作用，对上述参数有效调控可实现复合材料反射损耗强度以及吸收频幅的进一步提升。