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LDH/MOFs衍生的中空碳纳米笼的结构调控及电磁波吸收性能研究

摘要

电子技术的蓬勃发展给社会生活带来了巨大便利，但也伴随着电磁污染等问题。

电磁辐射对人类健康和电子设备正常工作构成威胁。为解决这一难题，开发新型电磁

波吸收材料成为研究热点。这些材料能有效吸收电磁波，将其衰减或转换为其他形式

能量，有望应用于减轻电磁辐射对人体和设备的影响，降低电磁辐射和电磁污染威

胁。

金属有机框架（MOFs）以其独特的孔隙结构，大比表面积和可调组分等优点，在

电磁波吸收领域应用广泛。然而，原始的MOFs由于其介电常数较低，并不适用于电

磁波吸收。因此开发新型MOFs衍生的吸波材料具有重要意义，通过碳化策略，可获

得MOFs衍生的碳基吸波材料，其具有很高的介电损耗性能。虽然MOFs衍生的碳基

吸波材料具有出色的性能，但是其形貌受到原始MOFs结构的限制。具有中空的分层

异质结构由于其空心内腔和多层异质界面，可以优化阻抗匹配，增加电磁波的传输路

径，更适用于实际环境。此外，将磁性材料与碳材料复合，材料将会具备磁介电协同

损耗机制，进一步优化了电磁波吸收性能，不过磁性金属的引入会增加材料的密度。

本研究以铁钴镍基层状双氢氧化物与金属有机框架复合材料（FeCoNi-

LDH@MOF）作为前驱体，通过溶剂热反应及高温碳化策略制备了具有中空的分层异

质结构的碳纳米笼（FeCoNi@NC），其表面生长了枝节交错的短碳纳米棒。由于MOFs

和金属纳米颗粒、纳米棒和纳米笼之间存在的异质界面，有助于界面极化损耗。并

且，碳基材料可以提高吸波材料的电导率，从而提高电导损耗。同时，中空碳纳米笼

的空腔结构有利于提高材料的阻抗匹配，使电磁波更易进入，电磁波在空腔内多次反

射。此外，材料中氮掺杂引起的缺陷，促进了偶极极化。最后，磁性金属颗粒的引入

导致磁损耗，在低频区域发生自然共振，在高频区域发生交换共振。综上，

FeCoNi@NC-700表现出优异的电磁波吸收性能，厚度仅为1.5mm时，最小反射损耗

值可达-54.44dB，有效吸收带宽为5.28GHz。

为了制备轻质的碳基吸波材料，本研究在FeCoNi-LDH@MOF高温碳化过程中引

入了三聚氰胺。三聚氰胺含有丰富的碳源和氮源，使得材料中的磁性金属颗粒在高温

环境中催化出碳纳米管（CNTs），合成了FeCoNi@NC-CNT复合材料。CNTs在纳米笼

表面交错相连，构成了三维导电网络结构，提高了电磁波传播路径。此外，三聚氰胺

为材料提供了丰富的氮源，增加了氮含量，提供了更多的偶极极化中心位点，促进了

哈尔滨工程大学硕士学位论文

极化弛豫损耗。在700℃时，FeCoNi@NC-2表现出优异的电磁波吸收性能。在添加量

为44wt.%时,有效吸收带宽为4.16GHz，最小反射损耗为-30.4dB，匹配厚度为2

mm。该研究获得了令人满意的电磁波吸收材料，为解决电磁辐射提供了一种参考策

略。

关键词：电磁波吸收材料；金属有机框架；中空碳纳米笼；分级结构；氮掺杂

LDH/MOFs衍生的中空碳纳米笼的结构调控及电磁波吸收性能研究

ABSTRACT

Theflourishingdevelopmentofelectronictechnologyhasbroughttremendous

conveniencetosociety,butitalsocomeswithissuessuchaselectromagneticpollution.

Electromagneticradiationposesathreattohumanhealthandthenormaloperationof

electronicdevices.Toaddressthischallenge,thedevelopmentofnewelectromagneti