信息来源：Composites Part B: Engineering
摘要
利用多孔碳材料来解决电磁波干扰问题的相关报道虽十分广泛，但单一的电磁损耗机制仍然是实现异常吸收的障碍。此研究通过简单的焙烧和后续的包覆工艺合成了一系列三维多孔碳@PANI(聚苯胺)复合材料，详细讨论了多孔碳材料@PANI (PC@PANI)的形貌、纳米结构和电磁波吸收性能。结果表明，经聚苯胺(PC@PANI-2)包覆的EDTA-2Na复合材料对电磁波的吸收性能明显优于纯多孔碳材料。在2.6 mm处，PC@PANI-2最宽吸收带宽(RL << span=""> 10 dB)达到 6.64 GHz (10.16–16.8 GHz)，最小反射损耗(RLmin)为-72.16 dB。与纯多孔碳材料相比，复合材料的界面极化损耗等介电损耗有所提高。涂覆聚苯胺后，复合材料的电导率损失急剧增加，从而增强了材料对电磁波的吸收能力。制备的PC@PANI-2可作为低成本、环保的电磁吸收剂的首选。此外，此项研究丰富了对减振器的电磁损耗机理的研究。
关键词：多孔碳@PANI复合材料；介电损耗；界面极化；电磁波吸收
Keywords: Porous carbon@PANI composites; Dielectric loss; Interface polarization; Electromagnetic wave absorption
成果简介
吴广磊教授（通讯作者，山东省泰山学者青年专家，山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人，省优青，青岛大学第三层次特聘教授，复合材料与工程专业系主任）团队研究并报道了EDTA-2Na衍生的多孔碳复合材料，研究结果显示，其展现出对电磁波的强吸收性能，有效吸收带宽达到6.64 GHz，匹配厚度为2.6 mm，有望成为理想的电磁波吸收器。此项研究以《Morphology-control synthesis of polyaniline decorative porous carbon with remarkable electromagnetic wave absorption capabilities》为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊。
背景介绍
随着信息技术的飞速发展，各种电子设备给人类的工业生产和日常生活带来了极大的方便。然而，伴随而来的电磁波辐射也危害着人类的生存环境。因此，电磁吸波材料已成为研究的重点之一。同时，具有低密度、低厚度、强电磁波吸收和宽带宽等优点的高性能电磁波吸收材料也越来越受到研究者的欢迎。
近年来，具有多种形态结构的吸收电磁波材料越来越受关注。生物质多孔碳的损耗机理包括介电损耗和磁损耗，但未掺杂其他金属化合物或聚合物。通过提高介质损耗，掺杂金属化合物或聚合物后的样品对电磁波的吸收能力显著提高。另外，传统的NiFe2O4、BaFe12O19、ZnFe2O4虽然具有良好的磁性能，但也存在涡流小等缺点，并且存在介电常数低，密度高，热稳定性差，难以实现高效吸收电磁波等局限性。
制备方法
图1 PC@PANI复合材料的制备示意图
图文导读
图2 SEM图像(a) PC-1 (b) EDTA 600 ◦C (c) PC@PANI-1 (d) PC-2 (e) PC@PANI-2 (f) PC-3 (g) PC@PANI-3; (h-j) PC@PANI-2的EDS元素映射
图2e显示PC-2被聚苯胺覆盖，孔径为500 nm。图2c中，由EDTA-4Na制备的PC结构，孔分布十分均匀。图2g-i的PC@PANI-2的EDS图表明，样品中含有N、C、O三种元素。
图3 各样品的电磁参数:(a) 介电常数实部，(b) 介电常数虚部，(c) 介电常数正切，(d) PC@PANI-2的Cole-Cole图
图4 (a-f) 计算出的PC-1、PC-2、PC-3、PC@PANI-1、PC@PANI-2、PC@PANI-3的理论反射损失值三维图像
样品PC-2@PANI的电磁波吸收性能最好。EDTA中的钠离子的存在可以增加离子通道。随着钠离子的增加，放电后离子通道增多，孔洞逐渐增多。当样品的孔越少，阻抗匹配也会越差，这将导致电磁波吸收性能下降。当有太多的孔时，衰减系数不好。当孔洞分布良好时，孔洞可以平衡样品的阻抗匹配和衰减系数，从而提高样品的电磁波吸收效率。
图5 (a) 2.6 mm处各样品的RL值(b) PC@PANI-2的RL值
PC@PANI-2在2.6 mm处电磁波吸收性能最好，EAB为6.64 GHz (10.16-16.8 GHz)。可以看出，涂覆聚苯胺的PC可以有效提高样品的电磁波吸收性能，特别是介电性能。PC-2和聚苯胺包覆的多孔碳具有良好的电磁波吸收性能，影响电磁波吸收材料的因素有两个，包括阻抗匹配和衰减系数。
图6 PC@PANI-2的电磁波吸收机理
PC和PANI可以为电子在材料中的传输提供导电路径，从而增加了材料的导电损耗。多孔结构内部电子运动将使电磁波转化为热能，消耗电磁波能量。另一方面，多孔结构中的缺陷和杂原子可以作为极化中心，进一步提高电磁波吸收性能。电子会聚集在大量的非均匀界面中，有利于界面极化损耗。电磁波在PC@PANI多孔结构中的散射增加了电磁波的透射路径，从而增强了电磁波的吸收特性。上述两种介质损耗方法的协同作用使样品能够有效地衰减入射电磁波能量。
结论
以EDTA-2Na为碳前驱体，通过简单的制备和聚苯胺包覆工艺，成功合成了高孔隙率的PC@PANI-2，具有O和N杂原子与均匀分布的碳骨架。PC@PANI-2在厚度为2.6 mm时，最小RL值为-72.16 dB，最宽有效吸收带宽达到6.64 GHz (10.16-16.8 GHz)。PC@PANI-2优异的电磁波吸收性能归因于其丰富的介电损耗，包括非均匀界面引起的界面极化损耗，O和N异质原子和缺陷引起的偶极极化损耗，以及多孔碳骨架和聚苯胺的高导电性导致的导电损耗。PC@PANI复合材料的制备可为高性能电磁吸波器的设计提供参考。
文章链接：
Morphology-control synthesis of polyaniline decorative porous carbon with remarkable electromagnetic wave absorption capabilities, Composites Part B, 204 (2021) 108491. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108491
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