摘 要

近年来由于电磁污染的日益严重以及国际形势严峻，对电磁波屏蔽的功能材料的需求日益增加。传统的吸波材料已经在性能上很难满足未来的使用需求。MOFs 是一种新兴的功能材料，在吸波材料方面的有非常大的应用潜力。它衍生的吸波材料具有重量轻，吸波带宽大，反射损耗强等优点。本文介绍了一种新型中心金属离子为Co的框架材料（Co-MOF-71）的制备方案及其吸波性能。该材料实现了在涂层厚度为2.5 mm，达到 -28.9 dB的最大反射损耗，并且有效带宽为4.3 GHz。该产品实现了高效吸波性能的同时有效的弥补了以往传统吸波材料密度大，带宽窄的缺点。

本设计拟利用MOFs独特的结构和组成的优势，开发出一种全新的轻质优异的吸波材料，通过XRD、SEM、TEM等手段对材料进行物质表征，利用Raman、VSM、BET以及网络分析仪等手段分析了不同煅烧温度下得到的样品石墨化程度、磁性能、比表面积、电磁参数及吸波性能，为未来进一步合成高性能吸波材料铺平了道路。

关键词：多孔碳 吸波材料 金属有机骨架 反射损耗

Preparation of Porous Carbon Co-MOF-71 as Template and the Research of Its Microwave Absorption Properties

Abstract

Due to the increasing electromagnetic pollution and the severe international situation, there is an increasing demand for functional microwave absorbing materials. Traditional microwave absorbing materials have been difficult to meet future usage needs. Metal-organic framework is a kind of new functional material which has great potential for microwave absorbing materials. It has the advantages of light weight, large absorbing bandwidth and strong reflection loss. In this paper, we report a new Co-based structural framework material (Co-MOF-71). The material achieves a maximum reflection loss of -28.9 dB at the coating thickness of 2.5 mm and has the effective bandwidth of 4.3 GHz. The product achieves high-performance absorbing performance and making up for the shortcomings of traditional microwave absorbing materials with high density and narrow bandwidth.

This design intends to exploit the advantages of the special structure and composite of MOFs to develop a lightweight and well performed material, and this material was characterized by XRD, SEM, TEM, etc. The graphitization degree, magnetic properties and specific surface area of ​​the samples obtained by different calcination temperatures were analyzed by means of Raman, VSM, BET and network analyzer. This work paves the way for the synthesis of high performance lightweight microwave absorber.

KEY WORDS: Porous carbon; Microwave absorbing material; Metal organic frameworks; Reflection loss

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 吸收材料的原理 1

1.3 吸波材料的分类及研究现状 4

1.3.1 铁氧体系列吸波材料 4

1.3.2 金属微粉材料 5

1.3.3 导电高聚物吸波材料 6

1.4 金属有机框架衍生的多孔碳吸波材料 7

1.5 论文研究的目的与内容 11

第二章 实验部分 13

2.1 主要原料与化学试剂 13

2.2 主要实验及测试分析仪器设备 13

2.3 测试与表征 14

2.3.1 X射线衍射分析(XRD) 15

2.3.2 扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析 15

2.3.3 拉曼光谱分析 15

2.3.4 比表面积和孔径分析 15

2.3.5 磁性能分析 15

2.3.6 动态电磁参数分析 15

第三章 结果与讨论 17

3.1 Co-MOF-71衍生的多孔碳的制备 17

3.2 煅烧温度对Co-MOF-71衍生的多孔碳结构和吸波性能的影响 18

3.2.1 形貌及微观结构表征 18

3.2.2 吸波性能分析 21

3.3 本章小结 26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 创新点 28

4.3 展望 28

参考文献 29

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 引言

第二次世界大战中，雷达在军事领域取得了广泛应用^[1]。为了能够避免作战目标被雷达探测到，美国、英国和德国等国家对反雷达探测做了相应的研究。德国研发出了世界上第一款雷达吸波材料，涂覆于潜艇通风管上，避免被盟军的机载雷达探测到。目前，电磁波吸收材料已经在军事上和民用领域取得了广泛的应用，例如飞行器、弹道导弹、水面舰艇和电磁屏蔽材料等^[2]。

然而随着雷达探测技术的发展和飞行器飞行性能要求的提高，传统吸波材料例如铁氧体、金属微粉和陶瓷等具有密度大，有效带宽窄的缺点^[3]，已经很难满足现代战争需求。从作战飞机的角度考虑，需要的吸波材料必须具备密度低，所需涂层厚度薄且易保养维护的特点。例如，美国空军的第五代战斗机F-22在上世纪90年代研发的金属微粉和铁氧体复合材料密度大，且容易在空气中氧化，保养维护难度大^[4]，已经逐渐退出了历史的舞台。而另一方面，面对战场上日益复杂的电磁环境和更加先进的雷达探测技术，吸波材料需要在提高有效吸收频段宽度。以美军部署在关岛的防空力量为例，其雷达探测频段覆盖了低、中、高频，包括美国海军对空警戒雷达AN/SPS-49（P波段，280 Hz-1 GHz）、海基宙斯盾雷达SPY-1D（S波段，2-4 GHz）、爱国者防空系统AN/MPQ-53（C波段，4-8 GHz）和萨德反导系统（X波段，8-12 GHz）。越来越先进的雷达探测技术和复杂的战场电磁环境对现有的作战单位构成了极大的威胁。为了应对日益紧张的国际形势，研发新一代轻薄且有效频带宽的优异雷达吸波材料的要求迫在眉睫。各国科研人员也是在相关领域做了相当多的研究，取得了一定的进展。目前雷达吸波材料主要趋势有形态上纤维或多孔结构，组成上电损耗型/磁损耗型复合，功能上多频谱兼容 ,向着厚度薄、材质轻、有效频带宽、吸波性能强的研究方向趋势发展。

1.2 吸收材料的原理

所谓的吸波材料，即是能将入射电磁波的能量吸收并转化为其它形式的能量，从而减少反射的电磁波能量^[5]。其原理类似于电流通过电阻时电能转化为热能，当电磁波进入到材料内部时，吸波材料能够将电磁波能转换成欧姆损耗而被吸收掉^[1]。材料吸收电磁波需要达到两个条件，一方面当电磁波由空气入射到材料表面上时，电磁波能尽可能不反射从而最大限度地进入材料内部，即要求材料满足阻抗匹配；另一方面，进入材料内的电磁波转化为其它形式的能量，从而电磁波的能量衰减，即要求材料满足衰减匹配^[6,7]。

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