CN115318210B - 一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法和应用 - Google Patents

一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法和应用,涉及吸波、电磁防护材料制备技术领域。本发明的目的是解决现有CoS2复合材料制备存在的热稳定性差、步骤繁多、产率低等问题,并拓展CoS2复合材料在吸收电磁波方面的应用。方法为:将有机钴源、碳源溶于水,混合形成溶液Ⅰ;将硫粉溶解到白油,得到溶液Ⅱ;将碳化硅加到表面活性剂溶液中,得到溶液Ⅲ;将溶液Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合,进行水热反应,离心过滤得到CoS2/多孔碳/SiC前驱体,退火处理,即得到CoS2/多孔碳/SiC气凝胶复合材料。本发明环境友好、试剂易得、设备简单、操作容易,适合推广。

Description

一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的 制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽、吸波材料制备领域,具体涉及一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法和应用。
背景技术
随着国防建设、电子信息、通讯技术的快速发展,减少电磁辐射对人体健康、自然环境的影响,同时生产更多的隐形装备等,都需要大力研发“薄、轻、宽、强”的现代吸波材料。这需要材料不仅具有良好的电性能、磁性能还具有质轻、稳定的特点,开发质轻、高效的吸波材料成为科技研发的热点问题。
CoS2是性能优异的黄铁矿型过渡金属二硫化物,3d电子层未填满,存在较强的磁性。相对NiS2、FeS2等半导体材料,具有优异的电化学性能、高导电性,较小的内阻,较强的负载能力等,被应用到催化剂、磁性材料、光敏材料及高能量密度电池材料方面。
CoS2在自然界中难单独存在,需采用人工方法合成,(J Mater Chem A,2013:5741-5746),以Co(NO3)2·6H2O为钴源,CS2为硫源,通过水热法制备了CoS2粉体。(J MaterChem A,2013:5741-5746),但所制备的CoS2纯度偏低,含有CoS杂质。专利1(CN111403180B)将碳布放在咪唑类有机配体和钴盐的混合溶液,静置4~6h,再将碳布放入硫源的醇溶液中加热处理,使碳布表面生成二硫化钴纳米棒。再在纳米棒表面沉积氢氧化镍,应用于柔性超级电容器。专利2(CN 112563471 B)一种二硫化钴/碳空心纳米花复合材料的制备方法,将正硅酸乙酯滴加到水和无水乙醇中,得到二氧化硅纳米球;将二氧化硅球与尿素和钴盐混合加热;将产物加入到多巴胺和三羟甲基氨基甲烷混合物,获得聚多巴胺包覆的硅酸钴盐/二氧化硅复合材料;再放置于管式炉、保护气氛下热处理得到前驱体,再将前驱体在保护气氛下、热处理,热处理后再放入氢氟酸中刻蚀,最后得到二硫化钴/碳空心纳米花复合材料。用其作为钠离子电池负极材料,具有较优异的循环稳定性和倍率性能。但过程操作步骤偏多,工艺较复杂,产率偏低。
综上所述,CoS2复合材料的制备方法诸多,但存在过程复杂、成品纯度低、热稳定性差等不足,且CoS2虽具有良好的磁性和电化学性能,但常作为热电池正极材料及钠离子电池的负极材料使用,在电磁屏蔽、吸波材料方面应用,罕见报道。
发明内容
针对以上不足,本发明提供了一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法和应用。以硬度高,电阻率可调的碳化硅为骨架材料,提高材料的热稳定性;气凝胶特有的超低密度、高孔隙率特征,降低了质量。多孔碳的高孔隙率增大了比表面积,有利于电磁波在材料内部产生强烈的多重散射损耗,提高气凝胶的吸收性能,同时降低了成本。从而达到制备稳定、轻质、高效二硫化钴吸波复合材料的目的。
本发明的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,是按照以下步骤进行的:
步骤一、将有机钴源、碳源分别溶于水,混合形成溶液Ⅰ;
步骤二、将硫粉溶解到白油中,得到溶液Ⅱ;
步骤三、将碳化硅颗粒加入质量百分含量为0.01%-1%的表面活性剂溶液中,磁力搅拌10~30min,得到溶液Ⅲ;
步骤四、磁力搅拌下,将溶液Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合,得到溶液Ⅳ;将溶液Ⅳ转移到反应釜中,进行水热反应,产物自然冷却至室温;
步骤五、打开反应釜,弃去上层清液,取下层固体;对下层固体进行离心过滤,分别用蒸馏水、乙二醇及HCl溶液进行洗涤,得到黑色沉淀CoS2/多孔碳/SiC前驱体;
步骤六、将CoS2/多孔碳/SiC前驱体与硫粉混合,并在保护气氛中退火处理,得到多边片状结构的CoS2/多孔碳/SiC气凝胶复合材料。
进一步地,步骤一中所述的有机钴源为甲酸钴、乙酸钴、丙酸钴或丁酸钴;碳源为蔗糖、葡萄糖或果糖;有机钴源与碳源的质量比为0.5~10:2~25。
进一步地,步骤二中所述的溶液Ⅱ中硫粉的质量分数为1%~30%;溶液Ⅱ的制备如下:在20℃~60℃、转速100r/min~400r/min的条件,搅拌为10min~40min。
进一步地,步骤四中所述溶液Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合的体积比为1~25:1~20:0.01~10;先将溶液Ⅱ滴入溶液Ⅰ中,在室温、转速100r/min~400r/min的条件下,搅拌10min~30min,再将溶液Ⅲ加入,转速200r/min~500r/min,搅拌20~50min,得到反应液Ⅳ。
进一步地,步骤四中所述的水热反应温度为120℃~260℃,反应时间为10h~24h。
进一步地,步骤五中所述的离心的速度为3000r/min~8000r/min,离心时间为5min~15min。
进一步地,步骤五中蒸馏水、乙醇和HCl溶液交替洗涤,其中,HCl溶液的浓度为0.2~3mol/L。
进一步地,步骤六中所述的退火处理温度为400~900℃,升温速度为0.5~5℃/nim,恒温时间为1~5h。
进一步地,所制多边片状结构的CoS2/多孔碳/SiC气凝胶复合材料为多边片状结构,颗粒大小为10-100nm,其中二硫化钴为壳,碳化硅为核。
一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的应用,所述的复合材料作为电磁屏蔽、吸波的材料。
本发明包含以下有益技术效果:
(1)本发明一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,以有机钴源、硫粉为原材料,通过水热法及退火加热干燥(或冷冻干燥)制备。所得产品纯度高,且可通过改变反应温度、时间调控硫化钴微球的尺寸。
(2)CoS2低电阻、良好的导电性及磁性,增加了介电损耗及磁损耗,使更多的电磁波以能量形式消散,从而提高了材料的吸波性能。
(3)(SiC)P是一种性能优良的陶瓷材料,其电阻率在10-2~106Ω·cm之间,随制造工艺改变连续可调等优点,是理想的骨架物质,增加了成品的热稳定性。
(4)多孔碳及气凝胶特有的多孔结构不但可以降低CS2的自团聚,增加了材料的稳定性,还可以减小电磁波进入气凝胶内部的阻碍,消除阻抗不匹配的影响;同时提供更丰富的表面,使得被困住的电磁波在内部进行多次反射和散射,实现能量的消耗,因而使复合材料表现出良好的电磁屏蔽特性,有利于电磁波吸收及电化学领域的应用。
(5)气凝胶质轻,可以减少吸波材料的重量,到达轻薄的特征要求。
(6)本发明环境友好,操作简单,原料易得,设备要求低,无需调节溶液的pH,无需添加形貌控制剂,适合推广应用。
(7)本发明成品纯度高。水热反应过程中常有可溶性钴盐剩余及CoS副产物产生,本专利通过蒸馏水除去未反应的可溶性钴盐;通过一定浓度的非氧化性酸--HCl除去CoS,提高了CoS2产品纯度。
(8)本发明具有界面损耗、极化损耗、介电损耗及磁损耗等多重损耗机制,可实现微波段(2-18GHz波段)高于90%的宽频损耗,具有高效、轻质的吸波特性。本发明主要应用电磁屏蔽、吸波领域,此外还可应用于电极材料制备、催化材料及光电材料等。
附图说明
下面结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例1制备的“二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶”的XRD谱;
图2为本发明实施例1制备的“二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶”的SEM照片;
图3为本发明实施例1制备的“二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶”的TEM照片;
图4为本发明实施例1制备的“二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶”的吸波曲线。
图中,A厚度为1mm,B厚度为1.5mm,C厚度为2mm,D厚度为2.5mm,E厚度为3mm,F厚度为4mm,G厚度为3.5mm,H厚度为4.5mm,I厚度为5mm。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神,任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后,当可由本发明内容所教示的技术,加以改变及修饰,其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,它是按照以下步骤进行的:
实施例1
步骤一、将2g乙酸钴、5g蔗糖分别溶于水100ml,混合形成溶液Ⅰ;
步骤二、将4g硫粉溶解到50ml白油中,50℃磁力搅拌30min,转速300r/min,形成溶液Ⅱ;
步骤三、将4g碳化硅颗粒加入400ml 0.05%的表面活性剂溶液中,磁力搅拌10~30min,得到溶液Ⅲ。
步骤四、磁力搅拌下,将40ml溶液Ⅱ滴入30ml溶液Ⅰ中,室温、转速300r/min,搅拌20min,再将10ml溶液Ⅲ加入,转速400r/min,搅拌30min,得到反应液Ⅳ;将溶液Ⅲ转移到聚四氟乙烯反应釜中,烘箱加热200℃,水热反应18h,产物自然冷却至室温。
步骤五、打开反应釜,弃去上层清液,取下层固体。对下层固体进行离心过滤,分别用蒸馏水、乙二醇及HCl溶液进行洗涤2次,其中HCl溶液的浓度为1.5mol/L,离心的速度为5000r/min,离心时间为7min。得到黑色沉淀CoS2/多孔碳前驱体。
步骤六、将CoS2/多孔碳前驱体与硫粉混合,在保护气氛下,以1℃/nim的升温速度,700℃退火处理,恒温2h,得到核壳结构CoS2/多孔碳/碳化硅气凝胶。二硫化钴为壳层,碳化硅为核。
测试方法
使用VEGA3 XMU型扫描电子显微镜观察二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的微观形貌;岛津XRD-6100型X射线衍射仪分析二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的物相;采用HP8722ES型矢量网络分析仪测试试样的介电性能,测试方法为波导法。将待测颗粒与石蜡按2:3比例均匀混合,压制成内径为3.0mm,外径为7.0mm,厚度为2.0mm的圆环。在2-18GHz范围测试其电磁参数,并通过Matlab拟合等进行分析。
测试结果
图1为二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的XRD衍射峰。由图1可见,二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的XRD衍射峰与CoS2标准卡片JCPDF No41-1471给出的衍射峰较好符合,说明CoS2很好的负载在多孔碳气凝胶骨架上。
图2为高低倍数下二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的SEM。图2(a)为低倍数下SEM,可以看出二硫化钴/多孔碳/碳化硅为多边片状结构,直径大约为20-100nm,多边片状结构粒子大小均匀,相互堆叠。图2(b)为高倍数下SEM,可以清晰看到单个二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的形貌;多边片状结构的二硫化钴复合材料具有较大的比表面积,有利于电磁波的多次反射、折射,增强了材料的吸波性能。
图3为二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的TEM照片。由图3可以看见更为清晰的多边片层相互堆叠的内部结构。
图4为二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的吸波曲线。由图4可见,在频率2-18GHz,厚度1.0-5.0mm的范围内,该材料的所有RL值均小于-10d B,说明二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶对电磁波的吸收能力整体较强。特别是,当样品厚度为2.5mm、频率为9.84GHz时,其RL值可达到-42.21d B;当样品厚度为5.0mm、频率为14.16GHz时,其RL值达-46.7963dB,意味着入射到材料表面的电磁波能量,将有99.9%以上被吸收损耗,说明二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶具有良好的吸波性能。
实施例2
步骤一、将2g甲酸钴、4g葡萄糖分别溶于水100ml,混合形成溶液Ⅰ;
步骤二、将3g硫粉溶解到40ml白油中,40℃磁力搅拌20min,转速200r/min,形成溶液Ⅱ;
步骤三、将2g碳化硅颗粒加入250ml 0.1%的表面活性剂溶液中,磁力搅拌20min,得到溶液Ⅲ。
步骤四、磁力搅拌下,将35ml溶液Ⅱ滴入28ml溶液Ⅰ中,室温、转速300r/min,搅拌20min,再将8ml溶液Ⅲ加入,转速300r/min,搅拌30min,得到反应液Ⅳ;将溶液Ⅲ转移到聚四氟乙烯反应釜中,烘箱加热200℃,水热反应15h,产物自然冷却至室温。
步骤五、打开反应釜,弃去上层清液,取下层固体。对下层固体进行离心过滤,分别用蒸馏水、乙二醇及HCl溶液进行洗涤2次,其中HCl溶液的浓度为1.0mol/L,离心的速度为5000r/min,离心时间为5min。得到黑色沉淀CoS2/多孔碳前驱体。
步骤六、将CoS2/多孔碳前驱体与硫粉混合,在保护气氛下,以1℃/nim的升温速度,600℃退火处理,恒温2h,得到核壳结构CoS2/多孔碳气凝胶。二硫化钴为壳层,多孔碳为核。
测试方法
使用VEGA3 XMU型扫描电子显微镜观察二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的微观形貌;岛津XRD-6100型X射线衍射仪定性分析二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的物相;采用HP8722ES型矢量网络分析仪测试试样的介电性能,测试方法为波导法。将待测颗粒与石蜡按2:3比例均匀混合,压制成内径为3.0mm,外径为7.0mm,厚度为2.0mm的圆环。在2-18GHz范围测试其电磁参数,并通过Matlab拟合等进行分析。
测试结果
二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的XRD衍射峰与CoS2标准卡片JCPDF No41-1471给出的衍射峰较好符合,呈现出与图1相同的效果。SEM呈现出与图2相似的效果,二硫化钴/多孔碳/碳化硅为多边片状结构,多边片状结构粒子大小均匀,相互堆叠。由二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶的吸波曲线可见,在频率2-18GHz,厚度1.0-5.0mm的范围内,该材料的所有RL值均小于-10dB,说明二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶对电磁波的吸收能力整体较强。特别是,当样品厚度为3.0mm、频率为10.32GHz时,其RL值可达到-39.47d B;当样品厚度为5.0mm、频率为13.74GHz时,其RL值达-41.62dB,意味着入射到材料表面的电磁波能量,将有99.9%以上被吸收损耗,说明二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶具有良好的吸波性能。
以上实施例仅是对本发明做的示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于它是按照以下步骤进行的:
步骤一、将有机钴源、碳源分别溶于水,混合形成溶液Ⅰ;
步骤二、将硫粉溶解到白油中,得到溶液Ⅱ;
步骤三、将碳化硅颗粒加入质量百分含量为0.01%-1%的表面活性剂溶液中,磁力搅拌10~30min,得到溶液Ⅲ;
步骤四、磁力搅拌下,将溶液Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合,得到溶液Ⅳ;将溶液Ⅳ转移到反应釜中,进行水热反应,产物自然冷却至室温;
步骤五、打开反应釜,弃去上层清液,取下层固体;对下层固体进行离心过滤,分别用蒸馏水、乙二醇及HCl溶液进行洗涤,得到黑色沉淀CoS2/多孔碳/SiC前驱体;
步骤六、将CoS2/多孔碳/SiC前驱体与硫粉混合,并在保护气氛中退火处理,得到多边片状结构的CoS2/多孔碳/SiC气凝胶复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤一中所述的有机钴源为甲酸钴、乙酸钴、丙酸钴或丁酸钴;碳源为蔗糖、葡萄糖或果糖;有机钴源与碳源的质量比为0.5~10:2~25。
3.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤二中所述的溶液Ⅱ中硫粉的质量分数为1%~30%;溶液Ⅱ的制备如下:在20℃~60℃、转速100r/min~400r/min的条件,搅拌为10min~40min。
4.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中所述溶液Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合的体积比为1~25:1~20:0.01~10;先将溶液Ⅱ滴入溶液Ⅰ中,在室温、转速100r/min~400r/min的条件下,搅拌10min~30min,再将溶液Ⅲ加入,转速200r/min~500r/min,搅拌20~50min,得到反应液Ⅳ。
5.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中所述的水热反应温度为120℃~260℃,反应时间为10h~24h。
6.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤五中所述的离心的速度为3000r/min~8000r/min,离心时间为5min~15min。
7.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤五中蒸馏水、乙二醇和HCl溶液交替洗涤,其中,HCl溶液的浓度为0.2~3mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于步骤六中所述的退火处理温度为400~900℃,升温速度为0.5~5℃/nim,恒温时间为1~5h。
9.根据权利要求1所述的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的制备方法,其特征在于所制多边片状结构的CoS2/多孔碳/SiC气凝胶复合材料为多边片状结构,颗粒大小为10-100nm,其中二硫化钴为外壳,碳化硅为核。
10.如权利要求1所述制备的一种电磁屏蔽用二硫化钴/多孔碳/碳化硅气凝胶复合材料的应用,其特征在于所述的复合材料作为电磁屏蔽、吸波的材料。
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