Koolstof-nanovezels gestut hiërarchische poreuze SiOC-keramiek voor efficiënte microgolfabsorptie

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de schematische illustratie van de fabricage van HPSC's. Stap 1:de voorloper werd bereid met dimethicon en KH-570 en het PAN-nanovezelweefsel werd verkregen via een elektrospinmethode. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 toont het optische beeld van PAN-stof (8 cm × 14 cm). Aanvullend bestand 1:Figuur S2 vertoont de verknoopte PAN-nanovezels met een diameter van 378 nm. Deze verknoopte vezels vormen een groot aantal poriën, die direct als poreuze sjablonen kunnen worden gebruikt. Stap 2:de voorbereide voorloper werd in PAN-weefsels geïnjecteerd. Stap 3:de HPSC's werden verkregen na een warmtebehandeling. Na pyrolyse en stabilisatie werden de voorloper- en PAN-nanovezels getransformeerd in respectievelijk SiOC-keramiek en koolstofnanovezels (CNF's). De CNF's werden beschouwd als de ruggengraat om de poreuze structuur te ondersteunen, en de SiOC-keramiek werd op het oppervlak van CNF's gewikkeld. Zo werden de HPSC's gevormd door middel van een sjabloon/precursor-pyrolysemethode. Zoals getoond in Fig. 2a, vertonen de HPSC's een groot aantal poriën met hiërarchische poreuze structuren. Figuur 2b toont de onregelmatige poriën met een grootte van 1,2 m, wat overeenkomt met de ontsnapping van gas (CH₄ , H₂ ) in het precursorpyrolyseproces. Figuur 2 c en d vertonen veel meer uniforme poriën met een grootte van 200 nm, die voornamelijk worden geconstrueerd door de verknoopte koolstofnanovezels.

De schematische illustratie van de fabricage van HPSC's

De SEM-beelden van HPSC's bij verschillende vergrotingen:a × 5.0 k, b × 10,0 k, c × 10,0 k, en d × 50,0 k

De XPS-spectra (Fig. 3) worden uitgevoerd om de samenstelling van HPSC-monsters te verifiëren. Het onderzoeksspectrum (Fig. 3a) stelt het bestaan ​​​​van Si-, C- en O-elementen in het HPSC-monster vast. Zoals getoond in Fig. 3b, vertoont de brede piek van Si 2p drie aangepaste banden rond 102.30, 103.15 en 103.90 eV, overeenkomend met respectievelijk C-Si-O, Si-O en O-Si-O bindingen [19] ]. De hogere bindingsenergie van 103,90 eV voor O-Si-O-binding wordt voornamelijk toegeschreven aan de hogere elektronegativiteit van O-atoom (3.610) dan die van C (2.544) en Si (1,916) atomen. Zoals getoond in Fig. 3c, vertoont het spectrum van C1s de aanwezigheid van verschillende valentie rond het C-atoom afkomstig van binding met andere elementen. Het kan worden onderverdeeld in drie banden van 284,60, 285,00 en 285,90 eV, die respectievelijk verband houden met C-C-, C-Si-O- en C-O-bindingen [20]. Figuur 3d laat zien dat de aangepaste O 1s-band de aanwezigheid suggereert van Si-O (532,50 eV) en O-Si-O (533,20 eV) bindingen. De XPS-resultaten geven aan dat de SiOC-component met succes is verkregen via deze precursorpyrolysemethode.

De XPS-spectra van HPSC's. een Het onderzoeksspectrum. b De gemonteerde Si 2p-piek. c De gemonteerde C 1s piek. d De gemonteerde O 1s piek

Het Raman-spectrum (Figuur 4a) werd uitgevoerd om het bestaan ​​van een vrije koolstoffase in SiOC-keramiek vast te stellen. Het Raman-spectrum kan worden ingepast in D-, G-, T- en D-banden. De typische D- en G-banden bevinden zich op 1328 en 1598 cm ⁻¹ , wat de amorfe koolstofstructuur aangeeft. De D- en T-banden worden toegeschreven aan elektron-gat-relaxatie afkomstig van ongeordende grafietkoolstof, terwijl de D"-band wordt geassocieerd met amorf koolstofroet. En de G-band komt overeen met E_2g modus die voortkomt uit rektrillingen in het vlak van sp ² gehybridiseerde obligaties [21]. Het XRD-patroon van HPSC's is uitgezet in aanvullend bestand 1:figuur S3. Een brede piek rond 24,5 ° wordt voornamelijk toegeschreven aan de amorfe koolstoffase in SiOC-keramiek en PAN-afgeleide koolstofnanovezels [22, 23]. De TGA-karakterisering werd uitgevoerd om de anti-oxidatie-eigenschap van HPSC's te meten. Figuur 4b toont de TGA-curve bij een temperatuur van 20~1000 °C onder een atmosfeer van stromende lucht. Een zwak gewichtsverlies is ongeveer 5,1 gew.% in het bereik van 450 ~ 800 ° C, wat wordt toegeschreven aan de oxidatie van de vrije koolstofcomponent in SiOC-keramiek. Op basis van het TGA-resultaat kan worden geconcludeerd dat HPSC's goede thermische stabiliteit en anti-oxidatie-eigenschappen vertonen, en dat koolstofvezels als sjabloon volledig zijn omhuld en beschermd door SiOC-keramiek. De N₂ adsorptie-desorptie-isothermen worden uitgevoerd om het Brunauer-Emmet-Teller (BET) oppervlak van HPSC's te onderzoeken. Figuur 4c toont een typisch type IV-gedrag, waarbij de aanwezigheid van mesoporiën in HPSC-monsters wordt onthuld. En de HPSC's leveren een INZET-oppervlak van 51,4  m ² /G. De poriegrootteverdeling wordt bestudeerd door het Barrett-Joyner-Halenda (BJH) -model. Figuur 4d laat zien dat HPSC's ook veel mesoporiën hebben met een diameter van 20 nm.

een Het Raman-spectrum. b TGA-curve onder luchtatmosfeer. c N₂ adsorptie-desorptiecurven. d Poriegrootteverdeling van HPSC-monsters

Zoals getoond in Fig. 5a, worden de MA-prestaties van HPSC's geïllustreerd door de RL-curven versus frequentie bij verschillende laagdiktes. De HPSC's leveren een optimale RL_min waarde van − 47,9 dB bij 12,24 GHz en een EAB van 4,56 GHz in het bereik van 10,24~14,8 GHz met een bijpassende dikte van 2,3 mm. De RL_min waarden kunnen − 23,8 dB bij 14,56 GHz, − 47,9 bij 12,24 GHz, − 45,5 bij 10,8 GHz, − 26,6 bij 8,72 GHz, − 23,5 bij 7,28 GHz en − 20,3 dB bij 6,32 GHz bereiken met een dikte van 2,0, 2,3, 2,5 , 3,0, 3,5 en 4,0 mm, respectievelijk. Dit fenomeen kan worden geïnterpreteerd door het kwartgolflengte-annuleringsmodel, dat de relatie illustreert tussen overeenkomende dikte (t _m ) en bijbehorende overeenkomende frequentie (f _m ) door de volgende vergelijking [24, 25].

De MA-eigenschappen van HPSC's. een De RL-curven. b De complexe permittiviteit en raaklijnverlieskrommen. c RL_min versus dikte van soortgelijke op Si gebaseerde keramische absorbers. d De schematische illustratie van MA-mechanisme

Wanneer de t _m en f _m voldoen aan vgl. (3) wel, het faseverschil tussen de invallende golf en de reflecterende golf is 180°, wat betekent dat de RL_min kan worden verkregen door de dissipatie van elektromagnetische energie aan het lucht-absorberende grensvlak [26]. Extra bestand 1:Afbeelding S4 toont de t _m versus f _m krommen van 1λ /4 voor HPSC's; het is duidelijk dat \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{exp}} \) punten zich bevinden op de \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{ cal}} \) lijnen, waaruit blijkt dat dit model de relatie tussen t . kan verklaren _m en f _m goed. De complexe permittiviteit is nauw relevant voor MA-prestaties en het tangensverlies (tanδε =ε ″/ε ′) wordt over het algemeen gebruikt om het dempende vermogen van MAM's te evalueren [27]. Het echte deel (ε ′) vertegenwoordigt het opslagvermogen van EM-energie, terwijl het denkbeeldige deel (ε ″) komt overeen met het verliesvermogen van EM-energie [28]. Figuur 5b toont de complexe permittiviteit en tanδε krommen van HPSC's. De ε ′ daalt in het hele bereik, en de ε ″ levert een piek in het bereik van 9,2 ~ 13,6 GHz. Daarom is de tanδε vertoont een relaxatiepiek rond 12,0 GHz, wat dicht bij die (12,24 GHz) van de optimale RL_min ligt . Zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S5, zijn de reële en imaginaire delen van complexe permeabiliteit bijna gelijk aan respectievelijk 1 en 0, wat wordt toegeschreven aan het niet-magnetisme van HPSC's. Afbeelding 5c ​​toont een vergelijking van RL_min waarde versus dikte van vergelijkbare keramische materialen op Si-basis in recente onderzoeken [12,13,14, 29,30,31,32,33,34,35]. Aanvullend bestand 1:Tabel S1 geeft een overzicht van de gedetailleerde MA-gegevens van alle gerelateerde referenties. Het blijkt dat de HPSC's niet alleen een optimale RL-waarde leveren, maar ook een dunne dikte hebben.

$$ \alpha =\frac{\sqrt{2}\pi f}{c}\times \sqrt{\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime \prime } -\mu^{\prime}\varepsilon^{\prime}\right)+\sqrt{\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime \prime }-\mu ^{\prime}\varepsilon^{\prime}\right)+\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime }+\mu^{\prime}\varepsilon^ {\prime\prime}\right)}} $$ (4)

Over het algemeen is de EM-verzwakkingsconstante (α ) wordt beschouwd als een belangrijke factor om het dissipatievermogen te beoordelen en kan worden uitgedrukt door Vgl. (4) [36]. Zoals te zien is in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S6, vertonen de HPSC's een toenemende trend en een sterk verzwakkingsvermogen in het bereik van 2~18 GHz. Deze waarden zijn veel groter dan die van vergelijkbare materialen op Si-basis [31, 33]. Aan de andere kant is een goede aanpassing van de impedantie gunstig om meer microgolven in materialen te laten voortplanten. Wanneer de waarde van |Z _in /Z ₀ | gelijk is aan 1, betekent dit dat er geen reflectie is van een invallende golf op het luchtabsorberende oppervlak [37]. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S7, de |Z _in /Z ₀ | waarden van HPSC's liggen dicht bij 1 in het grootste bereik van 2~18 GHz. En de optimale RL_min waarde van − 47,9 dB wordt verkregen bij 12,24 GHz, en de bijbehorende |Z _in /Z ₀ | waarde (0,994) is bijna gelijk aan 1. Figuur 5d toont een mogelijk MA-mechanisme van HPSC's. Ten eerste kan de poreuze structuur bijdragen aan het uitbreiden van de verstrooiing van EMW, waardoor de verzwakking van elektromagnetische energie wordt verbeterd [5]. Ten tweede komt de dipolaire polarisatie voort uit SiOC vanwege het bestaan ​​van SiOC, SiO_x , en vrije koolstof [38]. En er zijn een groot aantal korrelgrenzen binnen de amorfe SiOC-structuur; het is een voordeel voor het versterken van grensvlakpolarisatie. Ten derde spelen de overvloedige interfaces tussen CNF's en SiOC een vitale rol bij het stimuleren van de grensvlakpolarisatie [39]. Ten vierde kunnen de verknoopte CNF's zorgen voor een continu transportpad voor vrije elektronen, wat gunstig is voor het versterken van het geleidende verlies [26, 40]. De juiste impedantie-aanpassing van HPSC's onthult dat meer microgolf zich kan voortplanten in absorbers, en dus meer elektromagnetische energie kan worden gedissipeerd en omgezet in warmte of andere energie. Op basis van deze aspecten vertonen de HPSC's indrukwekkende MA-prestaties. En de MA-eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd door de chemische samenstelling van SiOC en de poreuze structuur (poriegrootte, porievolume) af te stemmen.

Conclusie

Samenvattend zijn de HPSC's met succes verkregen via een CNF-sjabloonmethode. De SEM-afbeeldingen en BET-resultaten onthullen de hiërarchische poreuze structuur van het SiOC-monster. De XPS-resultaten geven aan dat SiOC wordt gevormd door SiOC, SiO_x , en vrije koolstofcomponenten. De HPSC's vertonen goede anti-oxidatie-eigenschappen volgens het resultaat van TGA. De optimale RL-waarde en EAB van HPSC's kunnen − 47,9 dB en 4,56 GHz bereiken met een dikte van 2,3 mm, wat geavanceerd is onder deze vergelijkbare MAM's. De uitstekende MA-eigenschap is afkomstig van meervoudige reflectie, polarisatie, geleidende verliezen en een gunstig impedantie-aanpassingseffect. De HPSC's kunnen potentiële kandidaten zijn voor MA-toepassing bij hoge temperatuur vanwege de goede anti-oxidatie en MA-eigenschappen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De gegevens die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn opgenomen in het artikel en de aanvullende bestanden.

Afkortingen

BET:

Brunauer–Emmet–Teller

BJH:

Barrett–Joyner–Halenda

CNF's:

Koolstof nanovezels

DMF:

Dimethylformamide

EAB:

Effectieve absorptiebandbreedte

EMW:

Elektromagnetische golf

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

HPSC's:

Hiërarchische poreuze SiOC-keramiek

MAM's:

Magnetron absorptiematerialen

PAN:

Polyacrylonitril

RL_min :

Minimaal reflectieverlies

TGA:

Thermogravimetrie analyse

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie