碳纳米管四针状纳米氧化锌复合涂层的电磁波吸收特性

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期
王 等 ：碳 纳 米 管 针 状 纳 米 氧 化 锌 复 合 涂 层 的 电 磁 波 吸 收 特 性 建 ／四
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ＰＡＣＣ ６１４０Ｇ ５２３５Ｈ ８２５０Ｊ ７７４０
纳 米 管 ，四 针 状 纳 米 氧 化 锌 ，吸 波 性 能 ，反 射 率 关 键 词 ：碳 ： ， ， ，
ＮＴＺｎＯ
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引 言
随 着 现 代 电 子 工 业 和 信 息 产 业 的 高 速 发 展 ， 一 些 电 子 产 品 （如 手 机 、 电 脑 、 微 波 炉 等 ）的 数 量 急 剧 增 加 ， 伴 随 其 使 用 过 程 而 产 生 的 电 磁 污 染 越 来 越 严 重 ， 不 仅 对 一 些 电 子 设 备 产 生 信 号 干 扰 ，而 且 也 威 此 研 究 电 磁 屏 蔽 技 术 和 电 磁 波 ．因 胁 着 人 类 的 健 康 吸 收 材 料 无 论 是 在 民 用 工 业 还 是 在 国 防 工 业 方 面 ［ ］． 传 统 吸 波 材 料 普 遍 存 在 都 具 有 十 分 重 要 的 意 义 吸 收 频 带 单 一 、比 重 大 、吸 收 不 强 等 缺 点 ，新 一 代 “频 带 宽 、 厚 度 薄 、 质 量 轻 、 吸 收 强 ”的 吸 波 材 料 就 成 ［ ］ 为 人 们 研 究 的 热 点． 现 碳 纳 米 管 （ｃａｒｂｏｎ 自 １９９１ 年 Ｉｉｊｉｍａ 发 ［ ］ 来 ，其 特 殊 结 构 和 介 电 性 质 ， ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ，ＣＮＴ ） 以 以 及 特 有 的 螺 旋 、管 状 结 构 ，表 现 出 较 强 的 宽 带 微 ［ —］． 四 波 吸 收 性 能 针 状 纳 米 氧 化 锌 （ｎａｎｏｓｃａｌｅｄ 有 独 特 的 三 维 结 构 ｔｅｔｒａｐｏｄｓｈａｐｅｄ ＺｎＯ ，ＮＴＺｎＯ ）具 和 优 良 的 半 导 体 、压 电 特 性 ，这 些 特 性 赋 予 了 ＮＴ ＮＴＺｎＯ 作 好 的 电 磁 波 吸 收 性 能 ， 为 吸 波 材 料 ＺｎＯ 良 ［ — ］ ＮＴＺｎＯ 复 已 有 报 道 ．但 是 ，ＣＮＴ 与 合 涂 层 的 ．本 ＣＮＴ 与 电 磁 波 吸 收 性 能 还 鲜 见 报 道 工 作 将 多 壁
图 收 剂 的 形 貌 ；（ｂ）ＣＮＴ ＳＥＭ 图 １ 吸 （ ａ ）ＮＴＺｎＯ ＳＥＭ 图
３ ２ ＣＮＴ
料 的 设 计 与 制 备 时 需 要 综 合 调 节 吸 波 材 料 的 电 磁 和 电 磁 参 数 ＮＴＺｎＯ 的 参 数 ， 使 得 吸 波 复 合 体 系 获 得 最 佳 的 等 效 电 磁 参 通 ． 为 ＣＮＴ ／ 常 吸 波 材 料 的 电 磁 特 性 可 用 电 磁 损 耗 角 正 量 ， 从 而 提 高 其 吸 波 效 能 了 更 好 的 理 解 ｔａｎ δ 、 切 因 子 复 介 电 常 数 复 磁 导 率 电 导 率 合 涂 层 的 电 磁 波 吸 收 机 理 ，我 们 测 量 了 ε、 μ、 σ 以 ＮＴＺｎＯ 复 Ｚ等 ．在 ＮＴＺｎＯ 的 ．图 ３（ ａ ），（ ｂ ）分 及 材 料 的 特 征 阻 抗 参 量 来 表 征 进 行 吸 波 材 ＣＮＴ 和 电 磁 参 数 别 为
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期
样 品
１＃ ２＃ ３＃ ４＃ ５＃ ６＃ ＣＮＴ ／ ｗｔ％ ０ ４ ８ １２ ２０ １２
王 等 ：碳 纳 米 管 针 状 纳 米 氧 化 锌 复 合 涂 层 的 电 磁 波 吸 收 特 性 建 ／四
表 同 质 量 百 分 比 的 复 合 涂 层 及 其 吸 波 性 能 １ 不 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ 的 层 数 反 射 率 峰 值 ＺｎＯ ／ ｗｔ％ ＥＰ ／ ｗｔ％ ／ ｄＢ 单 层 ２０ ８０ － ３ ４８ １６ ８０ － ５ ４０ 单 层 单 层 １２ ８０ － １１ ２１ 单 层 ８ ８０ － １３ ７０ 单 层 ０ ８０ － ８ １８ 三 层 ８ ８０ － ２３ ０７
以 碳 纳 米 管 （ＣＮＴ）和 四 针 状 纳 米 氧 化 锌 （ＮＴＺｎＯ ）混 合 物 作 为 吸 收 剂 、 环 氧 树 脂 （ＥＰ）为 黏 结 剂 制 备 吸 波 涂 层 ， 研 究 不 同 量 对 吸 波 性 能 的 影 响 用 三 次 刷 涂 后 ， 发 现 当 量 达 到 含 量 为 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ 含 ．采 ＣＮＴ 含 １２％ ， ＮＴＺｎＯ 的 涂 层 厚 度 为 ， 吸 波 涂 层 的 最 小 反 射 率 为 小 于 吸 波 带 宽 为 涂 层 的 面 密 ８％ 、 １ ５ ｍｍ 时 － ２３ ０７ ｄＢ ， － １０ ｄＢ 的 ５ ＧＨｚ ， 合 涂 层 的 吸 波 性 能 比 纯 纯 层 有 显 著 的 提 高 ， 并 对 其 吸 波 机 理 进 行 了 分 析 度 ２ ｋｇ ／ ｍ 复 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ 涂 ．
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国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （批 准 号 ： 科 技 部 国 际 重 大 合 作 与 交 流 项 目 （批 准 号 ： 国 家 自 ２００７ＣＢ９３６２０１ ）， ５０６２０１２０４３９ ， ２００６ ＤＦＢ５１０００ ）、 ５０７７２０１１ ）和 ＮＣＥＴ０７００６６ ）资 ． 然 科 学 基 金 （批 准 号 ： 教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 （批 准 号 ： 助 的 课 题 讯 联 系 人 通 ． Ｅｍａｉｌ ：ｙｕｅｚｈａｎｇ＠ ｕｓｔｂ． ｅｄｕ． ｃｎ
１３ ＃
１所 ． 剂 和 黏 结 剂 的 质 量 百 分 比 见 表 示 ２ ３ 样 品 测 试 与 表 征 ＮＴＺｎＯ ， ＣＮＴ 以 及 制 备 的 复 合 涂 层 的 微 观 结 构 ＪＥＯＬ６４９０ ， Ｊａｐａｎ ）进 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜 （ＳＥＭ ， 行 ．吸 表 征 收 剂 的 电 磁 参 数 和 涂 层 的 反 射 率 测 试 采 用 雷 达 吸 波 材 料 反 射 率 扫 描 测 量 系 统 ＨＰ８３７５１Ｂ ，综 ＨＰ８７５７Ｅ 标 合 信 号 源 与 量 网 络 分 析 仪 ， 扫 描 范 围 为 最 大 衰 减 为 ２— １８ ＧＨｚ ， ４０ ｄＢ．
１ ２ ３ ４ ９ １０ １２
混 合 物 作 为 吸 收 剂 ，用 环 氧 树 脂 做 黏 结 剂 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ 的 制 备 吸 波 涂 层 ， 研 究 不 同 含 量 的 ． 涂 层 对 吸 波 性 能 的 影 响
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实 验 部 分

实 验 原 料 多 ＣＮＴ （直 １０ — ３０ ｎｍ 、 ５— １５ μ ｍ ， 壁 径 长 度 北 ＮＴＺｎＯ （采 京 纳 辰 公 司 ）， 用 气 相 沉 积 法 制 得 ， 见 文 献 ［ 氧 树 脂 （ＥＰ，ＷＳＲ６１８ ），油 酸 ，无 水 乙 １２ ］），环 醇 ， 乙 二 胺 （化 学 分 析 纯 ， 北 京 化 学 试 剂 公 司 ）． ２ ２ 吸 波 涂 层 制 备 先 ， 称 取 一 定 量 的 加 入 适 量 首 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ ， 的 无 水 乙 醇 和 油 酸 ， 用 超 声 波 分 散 后 加 入 ３０ ｍｉｎ． 然 用 无 水 乙 醇 溶 解 的 环 氧 树 脂 ， 边 搅 拌 边 超 声 ３０ ｍｉｎ． 加 热 蒸 发 过 量 的 乙 醇 ， 冷 却 后 加 入 适 量 的 固 化 剂 乙 二 胺 并 不 停 的 搅 拌 ， 最 后 将 配 制 的 涂 料 刷 涂 在 尺 寸 为 １８０ ｍｍ × １８０ ｍｍ × ３ ｍｍ 的 铝 板 上 ， 在 室 温 下 固 ２４ ｈ 制 ．涂 １ ５ ｍｍ 成 吸 波 涂 层 层 的 厚 度 控 制 在 化 ．各 ＣＮＴ 和 ＮＴＺｎＯ 分 左 右 样 品 涂 层 中 的 别 占 吸 收
图 收 剂 的 电 磁 参 数 介 电 常 数 与 频 率 的 关 系 图 ；（ｂ）ＮＴＺｎＯ 的 磁 导 率 与 频 率 的 关 系 图 ； （ｃ） ３ 吸 （ ａ ）ＮＴＺｎＯ 的 ＣＮＴ 的 介 电 常 数 与 频 率 的 关 系 图 ； （ｄ）ＣＮＴ 的 磁 导 率 与 频 率 的 关 系 图

） 李 ）） 王 会 峰） 黄 运 华） 余 海 波） 张 建 跃
１ １ ２ ２ １
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）（北 京 科 技 大 学 新 金 属 材 料 国 家 重 点 实 验 室 ，北 京 １０００８３ ） ２ ）（北 １０００８３ ） 京 科 技 大 学 材 料 物 理 与 化 学 系 ，北 京 （ 收 到 ； 收 到 修 改 稿 ） ２００９ 年 ６月 ２日 ２００９ 年 ７月 ６日
５９ ３ ２０１０ ３ １０００３２９０ ／ ２０１０ ／ ５９ ０３ ／１９４６ ０６
第卷 第期 年月 （）
理 学 报 物
ＡＣＴＡ ＰＨＹＳＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ． ５９ Ｎｏ． ３ Ｍａｒｃｈ ２０１０ ２０１０ Ｃｈｉｎ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ．
， ，
，
碳 纳 米 管 针 状 纳 米 氧 化 锌 复 合 涂 层 的 ／四 电 磁 波 吸 收 特 性
１９４８
物 理 学 报
５９
卷
图 合 涂 层 样 品 层 表 面 形 貌 ； （ｂ）涂 层 表 面 形 貌 ； （ｃ）涂 ２ ＣＮＴ ／ ＮＴＺｎＯ 复 ＳＥＭ 图 （ ａ ）涂 ５００ 倍 １５００ 倍 层 截 面 的 ５００００ 倍 层 截 面 的 三 层 结 构 形 貌 ； （ｄ）涂
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１９４７
吸 收 峰 ／ ＧＨｚ
１０ ２４ １４ ００ １６ １６ １６ ７０ １７ ７８ １２ １６
ＣＮＴ 尺 ．图 ２ 图 ， 从 图 中 可 以 看 出 寸 均 一 且 没 有 杂 质 ６ 样 （ａ）， （ｂ）为 复 合 涂 层 品 的 表 面 形 貌 图 ， 白 色 区 ＮＴＺｎＯ 和 ＣＮＴ 的 域 为 聚 集 区 ， 黑 色 的 区 域 为 环 氧 ．因 树 脂 吸 收 剂 和 树 脂 的 密 度 不 同 ，且 黏 稠 状 的 环 氧 树 脂 固 化 需 要 一 定 时 间 ， 在 固 化 过 程 中 有 一 部 分 ＮＴＺｎＯ 及 ＣＮＴ 会 缠 绕 在 一 起 的 慢 慢 往 下 沉 降 ， 导 致 复 合 涂 层 的 表 面 不 均 匀 ， 从 而 在 涂 层 表 面 形 成 如 ［ ］ 图 中 所 示 的 明 暗 相 间 的 岛 状 结 构 ．这 种 情 况 可 能 有 利 于 阻 抗 匹 配 并 对 涂 层 的 吸 波 性 能 产 生 一 定 的 ．同 影 响 时 ， 吸 收 剂 的 向 下 沉 降 导 致 表 层 环 氧 树 脂 比 例 增 大 ， 环 氧 树 脂 为 有 机 物 ，在 扫 描 时 受 到 电 子 ３ 结 果 及 讨 论 束 的 照 射 会 发 生 灼 烧 ， 使 表 层 在 电 镜 下 很 难 看 得 清 ．图 ２（ ｃ ）， ２（ ｃ ）可 晰 （ｄ ）为 复 合 涂 层 的 截 面 图 ， 图 及 复 合 涂 层 的 微 观 结 构 ３ １ ＮＴＺｎＯ ， ＣＮＴ 以 ６ 样 品 的 三 层 结 构 ， 每 层 之 间 存 在 明 清 晰 的 看 到 图 １（ ａ ）为 ＮＴＺｎＯ 的 ＳＥＭ 图 ．图 ２（ ｄ ）为 ＣＮＴ 的 固 化 界 面 ， 从 图 中 可 以 观 显 涂 层 截 面 的 放 大 图 ， ＮＴＺｎＯ 尺 ３— １０ μ ｍ ，针 ． 一 ＮＴＺｎＯ 与 察 到 寸 均 一 ，针 长 大 约 的 均 匀 分 布 其 中 ，形 成 导 电 网 络 部 分 直 径 约 多 壁 绕 在 一 起 ， 形 成 团 聚 ２００ — ５００ ｎｍ． 图 １（ ｂ ）为 ＣＮＴ 的 ＳＥＭ ＣＮＴ 缠 ．