1、ZnO/泡沫炭复合材料的制备及其电磁屏蔽性能邵毅伟，刘和光(西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)摘要：为进一步提高泡沫炭材料的电磁屏蔽性能，本文以泡沫炭为基体，以ZnO纳米颗粒为增强体，构建了ZnO/泡沫炭复合材料，研究了ZnO纳米颗粒的引入对泡沫炭电磁屏蔽性能的影响。实验结果表明，ZnO/泡沫炭复合材料在X波段内的总电磁屏蔽效能可达24 dB,明显优于泡沫炭材料。这主要归因于引入的ZnO纳米颗粒增强了泡沫炭材料的介电损耗。此外，研究了复合材料的衰减常数和趋肤深度，发现与泡沫炭材料相比，复合材料的衰减常数得到显著提升，趋肤深度明显降低。关键词：电磁屏蔽；ZnO纳米颗粒；
2、泡沫炭；复合材料中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)01-0062-06Fabrication of ZnO/Carbon Foam Composites and their ElectromagneticShielding PropertiesSHAO Yiwei,LIU Heguang(School of Materials Science and Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China)Abstract：To improve the electromagnetic shi
3、elding performance of pristine carbon foam,a ZnO/carbon foam compositewas constructed using ZnO nanoparticles as reinforcement in this paper.The influence of the introduced ZnO nanoparticleson the electromagnetic shielding performance was comprehensively studied.The results indicate that the total s
4、hieldingeffectiveness of the ZnO/carbon foam composite can reach 24 dB,which is obviously higher than that of the pristine carbonfoam.This is attributed to the addition of ZnO nanoparticles,which enhance the dielectric loss of the pristine carbon foam.Moreover,the attenuation constant and the skin d
5、epth of the composite are also investigated.It is found that the compositedelivers a higher attenuation constant and a lower skin depth.Key words：electromagnetic shielding;ZnO nanoparticles;carbon foam;composite收稿日期:2022-12-10基金项目:国家自然科学基金(51802258)；陕西省博士后科学基金(2018BSHEDZZ113)作者简介:邵毅伟，2000年生，硕士研究生.研究
6、方向：碳基电磁屏蔽材料.Email:通讯作者:刘和光，1986年生，博士，副教授.研究方向：不同维度碳材料及其复合材料的设计和应用等.Email:引用格式:邵毅伟，刘和光.ZnO/泡沫炭复合材料的制备及其电磁屏蔽性能J.铸造技术，2023,44(1):62-67.SHAO Y W,LIU H G.Fabrication of ZnO/carbon foam composites and their electromagnetic shielding properties J.FoundryTechnology,2023,44(1):62-67.随着电子通信设备在民用和军用领域的迅速发展，电磁干
7、扰和电磁辐射问题日趋严重，对仪器的正常运行和人类的健康生活等方面带来了较大危害。传统的电磁屏蔽材料已无法满足日益增长的应用需求，开发高效的新型电磁屏蔽材料成为当前电磁屏蔽领域的重要发展方向1-4。泡沫炭是一种海绵状结构的多孔炭材料，具有轻质高强、高比表面积、高热导率、良好的尺寸稳定性、耐腐蚀、低热膨胀系数等优点，其单位密度的比热导率远高于铜和铝等金属和传统泡沫材料5-7。泡沫炭的三维网状结构由韧带交联组成，其开孔结构赋予了泡沫炭极高的孔隙率，不仅有利于电磁波的吸收，而且为纳米材料等增强体的生长提供了丰富的空间。因此，泡沫炭在电磁屏蔽材料领域具有良好的应用潜力。然而，泡沫炭的电磁屏蔽性能较弱(仅
8、在20 dB以下)，距离商用电磁屏蔽材料的要求仍有一定差距。近年来，研究人员在提高泡沫炭电磁屏蔽性能方面进行了大量研究8-10。其中，在泡沫炭基体中引入第二相增强体，通过基体与增强体在性能上的协同优化效应来提高泡沫炭的电磁屏蔽性能，被认为是最有效的途径之一。ZnO是一种兼具带隙宽、载流子迁移率高等优异特性的半导体材料，其优异的介电性能使其在电磁屏蔽领域引起了广泛关注，是电磁屏蔽复合材料DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.0353铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGY铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.01Jan.202362图1
9、样品的微观结构及形貌：(a)不同方案制备的ZnO的XRD图谱，(b)水热法1制备的氧化锌的SEM图像，(c)水热法2制备的氧化锌的SEM图像，(d)溶剂热法制备的氧化锌的SEM图像，(e)热分解法制备的氧化锌的SEM图像Fig.1 The microstructure and morphology of the obtained samples:(a)XRD spectrum of ZnO prepared by various methods,(b)SEMimage of ZnO prepared by hydrothermal method 1#,(c)SEM image of ZnO p
10、repared by hydrothermal method 2#,(d)SEM image ofZnO prepared by solvothermal method,(e)SEM image of ZnO prepared by the pyrolysis process中最常用的填料之一11-13。例如，Singh等14报道了一种ZnO纳米颗粒镶嵌的石墨烯电磁屏蔽复合材料。经过研究发现，ZnO纳米颗粒不仅能抑制石墨烯的团聚，而且可以显著提升石墨烯的介电损耗和阻抗不匹配。Zhou等15通过研究发现纳米ZnO可以明显增强基体材料的电磁屏蔽性能。随着纳米ZnO含量的增大，复合材料的电磁屏蔽效能
11、不断提升。本文以泡沫炭为基体，在其韧带结构上原位合成ZnO纳米颗粒，构建ZnO/泡沫炭复合材料。通过泡沫炭与ZnO在性能方面的协同优化效应，实现对泡沫炭电磁屏蔽性能的增强，获得了一种高电磁屏蔽效能的复合材料。1实验材料与方法以三聚氰胺泡沫为原料，采用直接炭化法，在管式炉中制备三聚氰胺泡沫炭，并对烧制出的泡沫炭进行物相及微观形貌分析。分别采用热分解法、溶剂热法及水热法制备ZnO颗粒，对制备出的ZnO样品进行物相及微观形貌分析。热分解法：以碳酸钠和氯化锌为原料，配置50 mL浓度为0.2 mol/L的溶液，将配置好的氯化锌溶液倒入碳酸钠溶液中，并在90 恒温水浴，搅拌40 min后离心、洗涤。多次
12、洗涤后，取洗涤液于试管中，滴加硝酸银溶液，若无沉淀产生则洗涤干净，若有沉淀产生则再洗涤后重复上述操作至无沉淀产生，将洗涤后的沉淀120干燥5h，再600 煅烧1 h。溶剂热法：分别取0.02 mol六亚甲基四胺和乙酸锌，溶于100 mL去离子水，将混合溶液置于50 水浴搅拌30 min；再将4 mL氨水缓慢加入溶液中，接着搅拌20 min；最后超声处理55 min，将所得沉淀用去离子水、乙醇洗涤、离心多次后进行80 干燥。水热法1：取0.02 mol硝酸锌于烧杯中，加入100 mL去离子水溶解，再加入0.4 mol氢氧化钠，搅拌30 min。取上述溶液5mL，加入50mL去离子水，超声40mi
13、n后，放入高压反应釜，180 反应12 h，冷却后取出，洗涤、离心后，80 干燥。水热法2：以乙酸锌和无水乙醇为原料，将无水乙醇和去离子水按11的体积比配成溶液，再将上述溶液与乙酸锌按照201(mL/g)混合后搅拌至乙酸锌完全溶解，将所得溶液装入反应釜中，填充量约为60%70%。180 反应24 h后，自然冷却，将沉淀物经过洗涤、离心、干燥后得到纳米ZnO。最后制备ZnO/泡沫炭复合材料，利用XRD-7000型X射线衍射仪(XRD)和JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)等对制备出的ZnO/泡沫炭复合材料进行物相和形貌分析。采用四探针测试仪(RTS-8)对泡沫炭和ZnO/泡沫炭复合材料进
14、行电导率测试。采用矢量网络分析仪(E5071C)分别测试泡沫炭和ZnO/泡沫炭复合材料在X波段(8.212.4 GHz)的电磁参数，计算复合材料的电磁屏蔽效能。2实验结果与讨论首先对不同方法制备的纳米ZnO进行结构和形貌表征。图1(a)为不同实验方案制备的ZnO XRD图谱。从图中可以看出，4种实验方案制备出的样品 均 在2=31.7、34.4、36.2、47.5、56.6、62.8、66.3、67.9、69.0出现了特征衍射峰，分别对应ZnO的(100)，(002)，(101)，(102)，(110)，(103)，(200)，(112)，(201)晶面，与ZnO PDF标准卡片相符。这说明4
15、种实验方案均成功制备出了不含杂质相的ZnO材料。同时，溶剂热法和水热法1制备出的ZnO衍射峰形较为尖锐，说明制备出的ZnO结晶度较好。图1(bc)分别为不同实验方案制备的ZnOSEM照片。由图可以看出，利用水热法1制备的ZnO颗粒尺寸为纳米级，粒径较为均匀，形貌以锥形为主。利用水热法2制备出的ZnO呈棒状，直径为铸造技术01/2023邵毅伟，等：ZnO/泡沫炭复合材料的制备及其电磁屏蔽性能63图3 ZnO/泡沫炭复合材料的微观结构和形貌：(a)XRD图谱，(b)SEM图像，(c)SEM图像，(d)EDS图像Fig.3 The microstructure and morphology of t
16、he ZnO/carbon foam composite:(a)XRD spectrum,(b)SEM image,(c)SEM image,(d)EDS mapping图2泡沫炭的微观结构及形貌：(a)XRD图谱，(b)SEM图像Fig.2 The microstructure and morphology of the obtained carbon foam:(a)XRD spectrum,(b)SEM image纳米级，长度为微米级，团聚较为严重。而以溶剂热法制备出的ZnO颗粒为米粒状，形状均匀，尺寸接近1 m，颗粒之间有较明显的团聚。图1(e)是以热分解法制备的ZnO颗粒，其尺寸分布较为均匀，但颗粒形状不规则。综上，溶剂热法和以水热法2制备出的ZnO尺寸不符合纳米级要求，且团聚现象较为严重；热分解法制备出的ZnO粒径符合纳米级要求，但颗粒尺寸不均匀、形状不规则，同时在制备过程中需要高温煅烧流程，不利于在泡沫炭韧带结构中进行负载。而以水热法1制备出的ZnO为纳米尺寸，粒径较均匀，形状多为锥形，因此后续实验采用该方案在泡沫炭基体上生长ZnO，制备ZnO/泡沫炭复合材料。图2所示为
