CN113745850A - 一种碳基宽带太赫兹吸收器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳基宽带太赫兹吸收器及其制备方法，属于太赫兹屏蔽和吸收材料制备技术领域；在本发明中，以三聚氰胺海绵为原料，在惰性气氛和高温下进行热解，制备了基于退火碳化海绵的太赫兹吸收器，所述太赫兹吸收器具有柔性，且能在较宽的频段内具有优良的屏蔽和吸收性能。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹屏蔽和吸收材料制备技术领域，具体涉及一种碳基宽带太赫兹吸收器及其制备方法。
背景技术
太赫兹波一般是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波，它兼具了红外和微波的优点，在非接触成像、安全检查、无线通信等领域有着很好的应用。并且，太赫兹屏蔽材料能有效降低太赫兹波信号的干扰，改善传输环境，保证精密电子仪器正常工作。因此，研制高效的太赫兹屏蔽和吸收材料具有十分重要的意义。
通常，通过结合具有更高导电性的功能材料增强电磁损耗来制备具有高屏蔽性能的材料，然而由于阻抗失配会导致材料表面产生更强的反射，对周围复杂的电子元件产生不利影响，不利于实际应用。
近年来，由于多孔结构的导电材料中多孔结构能降低表面反射，而导电网络结构用于太赫兹波吸收，因此使用多孔结构的导电材料来制备高效太赫兹吸收材料被广泛研究。然而，这些多孔结构的太赫兹吸收材料成本高、制备工艺复杂、频带窄，限制了其实际应用。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种碳基宽带太赫兹吸收器及其制备方法。在本发明中，以三聚氰胺海绵为原料，在惰性气氛和高温下进行热解，制备了基于退火碳化海绵的太赫兹吸收器，所述太赫兹吸收器具有柔性，且能在较宽的频段内具有优良的屏蔽和吸收性能。
本发明中首先提供了一种碳基宽带太赫兹吸收器，所述太赫兹吸收器基于退火碳化海绵制备而成，为三维网络结构，密度为0.009~0.011 g/cm3，孔径为33.78~78.20 µm。
进一步的，所述碳基宽带太赫兹吸收器在机械变形后可以恢复原状且无明显损伤。
进一步的，所述碳基宽带太赫兹吸收器电导率为0~3.051 S/m。
本发明中还提供了上述碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，具体包括如下步骤：
将三聚氰胺海绵在氮气氛围下升温，然后冷却，得到退火碳化海绵，将得到的退火碳化海绵切割，形成碳基宽带太赫兹吸收器；所述升温为升温至700~1000℃，保持0.5~2h。
进一步的，所述氮气的气流量为0~100且不为0 mL/min，所述氮气的气流量优选为40mL/min。
进一步的，所述升温速率为0~10且不为0 ℃/min，所述升温速率优选为5℃/min。。
进一步的，所述切割为将退火碳化海绵切割成2~8 mm厚。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明制备得到的碳基宽带太赫兹吸收器克服了由反射材料组成的传统太赫兹屏蔽材料存在的两个缺陷：反射屏蔽材料不能完全消除太赫兹波的干扰和反射性屏蔽材料密度较大，避免了反射的太赫兹波对屏蔽装置内部的其他精密电子元件产生的不利影响。
超材料是目前研究最广泛的太赫兹吸收材料，但在吸收带宽、偏振和入射角等方面存在局限性。三聚氰胺海绵以其重量轻、价格低、立体网络结构丰富等优点，广泛应用于生活的各个领域。本发明中，以三聚氰胺海绵为原料制备的碳基太赫兹吸收器则突破了超材料的局限性，实现了宽频、高吸收和低反射。而三聚氰胺海绵经过高温热处理后，不仅能保持其良好的柔韧性和三维多孔结构，而且具有良好的导电性。
传统太赫兹屏蔽材料通常反射大部分太赫兹波，而传统太赫兹吸收材料在宽带频率范围内难以获得较大的吸收率，所以太赫兹屏蔽材料和太赫兹吸收材料通常是作为两个独立的问题来研究的。本发明中，结合了太赫兹屏蔽和吸收性能的单一材料在高端应用中可以享有更多的优势，满足了同时具有卓越的太赫兹屏蔽和吸收能力的严格要求。
本发明中，选用三聚氰胺海绵作为原材料实现了低成本和高产量的优点，通过一步热处理法实现了制备工艺简单化，制备得到的太赫兹吸收器具备柔性和低成本的优点。并且，本发明中制备得到的太赫兹吸收器屏蔽效能最高可达49dB，最高屏蔽效率约99.999%。除此之外，本发明中制备的太赫兹吸收器反射损耗最高可达47dB，意味着最高吸收效率可达99.99%以上，在0.25-3.5THz的宽频内拥有卓越的屏蔽和吸收性能。
本发明中制备得到的太赫兹吸收器具有极好的柔性，在弯曲和压缩等机械变形后可以恢复到原来的形状，且没有任何明显的损伤；其还具有较好的导电性，热处理前的三聚氰胺海绵无任何导电性，退火处理导致海绵碳化，从而导电，且随着退火温度的升高，电导率持续增加，最高可至3.051 S/m；并且，所述太赫兹吸收器具有丰富的三维网格结构，孔径最小也可达到约33µm，与太赫兹波波长处于相同的阶数。除此之外，太赫兹吸收器超高的孔隙率能大大减小材料有效固体含量，降低材料有效介电常数，从而达到阻抗匹配条件，显著降低表面反射，使得太赫兹波大量进入材料内部。
附图说明
图1为太赫兹吸收器在热处理前后的扫描电镜图。
图2为太赫兹吸收器放置在花朵上的光学图片。
图3为太赫兹吸收器被弯曲并复原的光学图片。
图4为太赫兹吸收器被压缩并复原的光学图片。
图5为太赫兹吸收器的电导率。
图6为4mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图。
图7为6mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图。
图8为8mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图。
图9为2mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的反射损耗图。
图10为6mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的反射损耗图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
以市售的廉价的三聚氰胺海绵为原料，让其在气流量为10mL/min的氮气氛围下以1℃/min的升温速率升温至1000℃，并保持1h，之后随炉冷却，得到退火碳化海绵。然后将得到的碳化海绵切割成4mm厚，形成柔性太赫兹吸收器。
图1为太赫兹吸收器在热处理前后的扫描电镜图，由图可知，热处理前后均为三维网格结构，且热处理后孔径变小。可从图1中看出，1000℃热处理后的平均孔径为33.78µm。
图2为太赫兹吸收器放置在花朵上且没有压弯它的光学图片，由图可知，太赫兹吸收器具有质轻的特点。
图3为太赫兹吸收器被人为弯曲并复原的光学图片，图4为太赫兹吸收器被人为压缩并复原的光学图片，由图可知，太赫兹吸收器具有柔性的特点。
图5为太赫兹吸收器的电导率，由图可知，太赫兹吸收器的电导率随着退火温度的升高而增加，从一开始的无导电性到最高的3.051 S/m，表明了其较好的导电性。
图6为4mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图，由图可知1000℃下的碳化海绵能在较薄厚度（4mm）时就已经具备了极好的电磁干扰屏蔽效能，最大可至49dB。
实施例2：
以市售的廉价的三聚氰胺海绵为原料，让其在气流量为40mL/min的氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至900℃，并保持0.5h，之后随炉冷却，得到退火碳化海绵。然后将得到的碳化海绵切割成2mm厚，形成柔性太赫兹吸收器。
图9为2mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图，由图可知900℃下的碳化海绵能在较薄厚度（2mm）时就已经具备了极高的反射损耗，最大可至47dB，表明极佳的吸收性能。
实施例3：
以市售的廉价的三聚氰胺海绵为原料，让其在气流量为100mL/min的氮气氛围下以10℃/min的升温速率升温至1000℃，并保持2h，之后随炉冷却，得到退火碳化海绵。然后将得到的碳化海绵切割成6mm厚，形成柔性太赫兹吸收器。
图7为6mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图，由图可知6mm厚度下各个退火温度的太赫兹吸收器的电磁干扰屏蔽效能较4mm时提高较少，但最大电磁干扰屏蔽效能未有明显增加。
图10为6mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的反射损耗图，由图可知6mm厚度下各个退火温度的太赫兹吸收器的反射损失较4mm时提高较多，但最大反射损耗未有明显增加。
实施例4：
以市售的廉价的三聚氰胺海绵为原料，让其在气流量为40mL/min的氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至1000℃，并保持1h，之后随炉冷却，得到退火碳化海绵。然后将得到的碳化海绵切割成8mm厚，形成柔性太赫兹吸收器。
图8为8mm厚度的太赫兹吸收器在不同退火温度下的电磁干扰屏蔽效能图，由图可知8mm厚度下各个退火温度的太赫兹吸收器的电磁干扰屏蔽效能较4mm时提高较少，但最大电磁干扰屏蔽效能未有明显增加。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，包括：
将三聚氰胺海绵在氮气氛围下升温，然后随炉冷却，得到退火碳化海绵，将得到的退火碳化海绵切割，形成碳基宽带太赫兹吸收器；所述升温为升温至700~1000℃，保持0.5~2h。
2. 根据权利要求1所述的碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，所述氮气的气流量为0~100 mL/min且不为0。
3. 根据权利要求2所述的碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，所述氮气的气流量为40 mL/min。
4. 根据权利要求1所述的碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，所述升温速率为0~10且不为0 ℃/min。
5. 根据权利要求4所述的碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，所述升温速率为5 ℃/min。
6. 根据权利要求1所述的碳基宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，所述切割为将退火碳化海绵切割成2~8 mm厚。
7. 根据权利要求1~6所述方法制备的碳基宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述太赫兹吸收器基于退火碳化海绵制备而成，为三维网络结构，密度为0.009~0.011 g/cm3，孔径为33.78~78.20 µm。
8.根据权利要求7所述的碳基宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述碳基宽带太赫兹吸收器在机械变形后可以恢复原状且无明显损伤。
9. 根据权利要求7所述的碳基宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述碳基宽带太赫兹吸收器电导率为0~3.051 S/m。
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