碳化硅纳米颗粒的吸波性能研究

梁 飞

(渭南师范学院化学与生命科学学院，陕西渭南714000)

吸波材料广泛应用于电磁兼容、电子仪器设备、高频设备、屏蔽箱等领域.随着现代科学技术的发展，研究和开发电磁吸波材料已经成为人们关注的焦点［1］.纳米吸波材料不仅具有良好的吸波性能，同时具备质量轻、宽频带、兼容性好及厚度薄等特点，因此其正成为研究的热点［2］.纳米材料的吸波性能与材料特性、形貌、结构等许多因素有关.为此人们制备了不同结构的纳米吸波材料，如Ni/Ag核壳纳米颗粒［3］、Ni-Co-P 包裹的 SiC 粉末［4］、碳纳米弹簧［5］、Fe纳米线［6］和不同的 ZnO 纳米结构［7］.

SiC纳米材料具有热稳定性高、高硬度、耐腐蚀、抗氧化、热传导率高等特点，能够实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收的目的，所以很适宜用作高温电磁吸波材料［8］.尽管人们已经合成了一系列不同结构的SiC纳米材料，如SiC纳米颗粒［9］、SiC纳米线［10］、SiC纳米管等［11］，但对纳米碳化硅的吸波性能研究还比较少.本文主要采用废弃塑料为碳源，正硅酸乙酯为硅源，硝酸铁为催化剂，通过溶胶—凝胶和碳热还原法制备碳化硅纳米颗粒，并研究其吸波性能.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

正硅酸乙酯、乙醇、硝酸铁、草酸、六次甲基四胺、盐酸和氢氟酸均为分析纯;废弃塑料瓶(矿泉水瓶).

相结构测试:采用Rigaku Dmax-rA型X射线衍射仪.(CuKα辐射，入射波长λ=0.154 nm，金属Ni滤波，管电压40 kV，管电流100 mA，扫描速率2°/min，扫描步长为0.02°).微观结构表征:采用日本JEOL-1011型透射电子显微镜上观察样品的微观结构.具体方法为:将少量样品放入称量瓶中，用乙醇作为分散剂，超声波振荡10 min后，用洁净的滴管取1～2滴于铜网上，干燥后进行观察.吸波性能分析:采用Agilent-N5230A网络分析仪.测量样品在2～18 GHz的复合介电常数和复合磁导率以计算样品吸波性能.将样品与熔融石蜡进行混合放在铜质环形模具进行测量，模具外径为7 mm，内径为3 mm，高2 mm.

1.2 碳化硅纳米颗粒的制备

采用文献［12］的方法制备.将塑料瓶清洗、干燥，将切碎后的塑料瓶在800℃，氩气气氛下碳化3 h.在100 mL乙醇中溶解1 g硝酸铁，待完全溶解后再加入12 g碳化产物和50 mL正硅酸乙酯，在强力搅拌下，逐滴加入3.4 wt%草酸溶液8 mL，促进正硅酸乙酯水解形成溶胶.强力搅拌24 h后，加入35.8 wt%六次甲基四胺溶液8 mL，促进溶胶的凝固.待凝胶凝固后，在110℃下干燥12 h得到干凝胶.干凝胶放入高温管式炉中，在氩气气氛保护下1350℃反应6 h.待炉温冷却到室温时，将收集到的样品先在空气中700℃反应3 h，除去未反应的碳，然后用盐酸和氢氟酸的混合酸洗去可溶性杂质，所得样品记为SiC.

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

图1为样品的粉末X射线衍射(XRD)图.从图1中可以看出，5个衍射峰分别对应于立方结构β-SiC的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面.在2θ为33.6°处有一个较小的衍射峰，一般认为是由于堆积缺陷所形成的超结构引起的衍射而形成的［13］.没有其他物质衍射峰的出现.XRD结果表明样品是纯β-SiC且具有较好的晶形.

图1 碳化硅样品的XRD图

图2 碳化硅样品的TEM图

2.2 透射电镜分析

采用透射电镜进一步表征样品的形貌和结构，如图2所示.从图2中可以看出，所得β-SiC样品主要由一种近似球形的纳米颗粒组成，颗粒之间相互衔接，并且具有较窄的粒径分布，颗粒尺寸在10～60 nm之间.

2.3 吸波性能

碳化硅属于介电损耗性吸波材料，介电常数的虚部一定程度上代表了物质对电磁波损耗能力的大小.图3为碳化硅纳米颗粒的介电常数谱图，其中ε'表示介电常数实部，即静电场下介质的相对介电常数.ε″表示介电常数的虚部，一定程度上代表了物质对电磁波损耗能力的大小.从图中可以看出，所制备的碳化硅纳米颗粒，其ε'处于7.1～8.9之间呈降低趋势，其原因是:材料在低频下极化响应快而高频下极化响应慢，从而使介电常数实部降低;ε″处于1.2～1.6之间，整体呈增大趋势，其原因为频率增大交变电场的变化更快，但是极化的速度始终不能与之同步形成驰豫，所以频率越大造成的滞后越大、介电损耗也越大，故频率增大ε″增大.图4为碳化硅纳米颗粒不同厚度时的微波吸收谱图.从图中可以看出，当样品厚度为0.5 mm和1 mm时，谱线没有太大变化，表明SiC纳米颗粒的微波吸收能力很弱.当样品厚度增加到1.5 mm时，碳化硅纳米颗粒的反射衰减在16～18 GHz可达到－5 dB.当样品厚度增加至3 mm，碳化硅纳米颗粒在8～13GHz的反射衰减在－5 dB以上，带宽为5 GHz，其反射衰减的最大值为－8.91 dB.结果表明材料厚度对材料的吸波性能有着明显的影响，厚度增加，材料的吸收率提高，但是每种材料都有一个最佳匹配厚度，因此过度增加厚度也不会无限提高材料的吸波性能.

图3 碳化硅样品的介电常数谱图

图4 SiC样品的微波吸收性能

3 结论

(1)采用废弃塑料作为碳源，通过溶胶—凝胶和碳热还原法可以制备碳化硅纳米颗粒，其直径约为10～60 nm.

(2)碳化硅纳米颗粒的吸波性能随着样品厚度的增加而增强，当样品厚度为3 mm时，在8～13 GHz的反射衰减在－5 dB以上，其最大值为－8.91 dB.

(指导教师:王冬华)

［1］Xu J，Zou H，Li H，et al.Influence of Nd3+substitution on the microstructure and electromagnetic properties of barium W-type hexaferrite［J］.J.Alloys.Compd，2010，490:552－556.

［2］李海燕，张世珍，桂林，等.新型纳米吸波材料研究进展［J］.现代涂料与涂装，2010，13(7):25－28.

［3］Lee C C，Chen D H.Ag nanoshell-induced dual-frequency electromagnetic wave absorption of Ni nanoparticles［J］.Appl.Phys.Lett，2007，90:193102－193104.

［4］Li Y J，Wang R，Qi F M，et al.Preparation，characterization and microwave absorption properties of electroless Ni-Co-P-coated SiC powder［J］.Apl.Surf.Sci，2008，254:4708－4715.

［5］Tang N J，Zhong W，Au C T，et al.Synthesis microwave electromagnetic and microwave absorption properties of twin aarbon nanocoils［J］.J.Phys.Chem.C，2008，112:19316－19323.

［6］Liu J R，Itoh M，Terada M，et al.Enhanced electromagnetic wave absorption properties of Fe nanowires in gigaherz range［J］.Appl.Phys.Lett，2007，91:93101－93103.

［7］Chen Y.J，Cao M.S，Wang T.H，et al.Microwave absorption properties of ZnO nanowires-polyester composites［J］.Appl.Phys.Lett，2004，84:3367－3370.

［8］范跃农，龚荣洲.陶瓷吸波材料的研究进展［J］.陶瓷学报，2010，31(1):538－541.

［9］Kamlag Y，Goossens A，Colbeck I，et al.Formation of nano SiCparticles by laser-assisted CVD［J］.Chem.Vapor.Depos，2003，9(3):125－129.

［10］Liang C H，Meng G W，Zhang L D，et al.Large-scale synthesis of β-SiC nanowires by using mesoporous silica embedded with Fe nanoparticles［J］.Chem.phys.lett，2000，329:323－328.

［11］Keller N，Pham-Huu C，Ehret G，et al.Synthesis and characterization of medium surface area silicon carbide nanotubes［J］.Carbon，2003，41:2131－2139.

［12］王冬华.废弃塑料制备碳化硅纳米颗粒［J］.应用化工，2011，40(9):1544－1546.

［13］朱小燕，李培刚，王顺利，等.碳热还原法制备SiC纳米线及其结构表征［J］.浙江理工大学学报，2012，29(2):245－248.