一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法与流程

1.本发明属于微波吸收材料领域，具体涉及一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法。


背景技术：

2.理想的微波吸收剂应同时具备质量轻、掺杂量低、对微波损耗强等优点。单一的纯炭质吸收剂虽然质量轻，但同自由空间的阻抗匹配差，且有效吸收带宽窄；而单一的磁性金属吸收剂，虽然阻抗匹配性能好，但是质量大，掺杂量高，很难被广泛应用。
3.多孔炭复合磁性金属材料在满足质量轻的同时，不仅优化了材料同自由空间之间的阻抗匹配，而且提升了吸收剂对入射电磁波的损耗，理论上可以拓宽材料的有效吸收频带宽，提升材料的吸波性能。
4.采用可再生的生物质材料替代传统的化石材料制备多孔炭不但减小了制备成本，而且减少了对不可再生资源的消耗。利用化学活化法制备的多孔炭具有较大的比表面积，能吸附溶液中纳米微粒，促进金属在其表面的形核。共沉淀法制备金属纳米微粒对设备要求低，方法简单，制备的微粒分散性好，粒径分布均匀。


技术实现要素：

5.本发明的目的是协调炭质材料和磁性金属材料的优缺点，提供一种质量轻、阻抗匹配好、对微波损耗较大的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
7.一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
8.1)将干酵母菌粉、面粉和水按照质量比w
干酵母菌粉
：w
面粉
：w
水
＝1：(50～500)：(100～500)混合均匀后，恒温发酵0.5～5h，发酵温度为20～60℃；
9.2)将步骤1)中发酵后产物在50～120℃下干燥，干燥后的产物置于惰性气氛中热解；
10.3)将步骤2)中得到的热解产物破碎，并筛选出孔隙发达的多孔炭颗粒；
11.4)将步骤3)中所得多孔炭颗粒同koh按照质量比w
颗粒
：w
koh
＝1：(0.5～5)均匀混合后，惰性气氛保护下高温活化；
12.5)将步骤4)所得颗粒用稀盐酸和去离子水清洗至ph＝7，50～200℃下干燥；
13.6)配置含ni
2
的乙二醇溶液或水溶液；
14.含ni
2
的乙二醇溶液配方：0.1～5g聚乙烯吡络烷酮和0.1～5g的氯化镍添加到50～500ml乙二醇中，30～85℃下水浴加热下搅拌0.5～5h，再向其中添加naoh调节溶液ph为8～12；含ni
2
的水溶液配方：0.2～5g柠檬酸钠、0.1～5g碳酸钠和0.1～5g氯化镍溶解于50～500ml去离子水中，50～85℃下水浴加热下搅拌0.5～2h，再向其中添加naoh调节溶液ph为8～12；
15.7)将0.1～1g步骤5)中的多孔炭颗粒添加到步骤6)所得含ni
2
的乙二醇溶液或水溶液中；
16.8)向步骤7)含有多孔炭颗粒的溶液中添加水合肼，水合肼添加量为溶液体积的1/20～1/5，机械搅拌直至反应完成；
17.9)回收步骤8)中的沉淀颗粒，洗涤干燥，获得表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂。
18.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，优选的，步骤1)中，w
干酵母菌粉
：w
面粉
：w
水
＝1：200：100。
19.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，步骤2)中，热解工艺为：升温速率为2～10℃/min，热解温度为300～800℃，热解时间为1～10h。
20.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，优选的，步骤3)中，筛选出粒径为50～300目的多孔炭颗粒；所得多孔炭颗粒具有分级多孔结构，其孔径范围为1～50nm和10～50μm，孔隙率为30～70％。
21.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，步骤4)中，为了使koh同多孔炭颗粒充分混合，需要先将koh溶解于去离子水中，按质量份数计，得到的koh水溶液由1份koh和10～100份水组成，然后将多孔炭颗粒分散在koh水溶液中，50～200℃下蒸发溶液。
22.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，步骤4)中，高温活化工艺为：升温速率为1～10℃/min，活化温度为400～1000℃，活化时间为1～10h。
23.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，步骤5)之后，对步骤5)所得颗粒进行敏化和活化处理；多孔炭颗粒室温下在溶液a中敏化1～10min，溶液b中活化3～15min；溶液a由1～10g的氯化亚锡和2～20ml浓度37wt.％的稀盐酸溶解于100～500ml去离子水中制备而成，溶液b由2～100mg的氯化钯和0.1～5mg浓度37wt.％的稀盐酸溶解于40～400ml去离子水中制备而成。
24.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，步骤9)中，干燥温度不高于100℃。
25.所述的表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，该吸收剂中的纳米镍均匀沉积于多孔炭表面，纳米镍占10wt.％，其余为多孔炭。
26.本发明的设计思想是：单一的炭材料或磁性金属材料，很难同时满足微波吸收剂质量轻，阻抗匹配好，以及损耗强等要求。将炭材料和磁性纳米金属微粒复合，可以在几乎不增加质量的前提下提高吸收剂的阻抗匹配能力和损耗能力。
27.本发明的优点及有益效果是：
28.1、本发明以面粉作为前驱体制备多孔炭颗粒，降低了生产成本；采用酵母菌发酵和高温活化工艺制备出来的颗粒孔隙率高，孔径分布广，可以大大降低材料的质量。
29.2、本发明采用共沉淀的方法在多孔炭颗粒表面沉积纳米镍微粒，对设备要求低，制备方法简单。多孔炭表面沉积的纳米镍微粒在几乎不增加材料质量的前提下，提升了吸收剂对微波的损耗能力。
30.3、本发明表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂具有丰富的多孔结构，比表面积大，质量轻；表面的纳米镍微粒不仅能对入射微波提供磁损耗，而且能改善颗粒同空气之间
的阻抗匹配性能，提高了吸收剂的吸波性能。
附图说明
31.图1(a)-图1(b)为实施例1发明材料的sem形貌图。其中，图1(b)为图1(a)的局部放大图。
32.图2(a)-图2(b)为实施例2发明材料的sem形貌图。其中，图2(b)为图2(a)的局部放大图。
具体实施方式
33.在具体实施过程中，本发明一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，主要包括如下步骤：(1)以面粉作为前驱体，酵母菌作为造孔剂，采用一步热解和高温活化工艺制备多孔炭颗粒；(2)对多孔炭颗粒进行敏化和活化处理；(3)以氯化镍作为镍源，水合肼作为还原剂，采用共沉淀工艺在多孔炭表面沉积纳米镍微粒。
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部是实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.本实施例中，一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤1：面粉发酵造孔；首先将0.3g的干酵母菌粉分散到100ml去离子水中，30℃下水浴搅拌0.5h，以充分激发酵母菌的活性。然后将溶液倒入100g面粉中，搅拌均匀后放入干燥箱中40℃下恒温发酵1h。发酵产物在干燥箱中120℃干燥12h。
38.步骤2：发酵产物热解；将步骤1中得到的干燥产物放入真空管式炉中，氩气保护下，以2℃/min的升温速率升温到400℃并保温2h，将随炉冷却得到的热解产物破碎后筛选出粒径为100目的颗粒。所得多孔炭颗粒具有分级多孔结构，其孔径范围为1～50nm和10～50μm，孔隙率为30～70％。
39.步骤3：多孔炭颗粒高温活化；将1g的koh溶解于50ml的去离子水中，再将2g的步骤2中获得的多孔炭颗粒完全浸没在koh水溶液中，干燥箱中120℃干燥12h将溶液蒸发。将均匀混合koh的多孔炭颗粒放入管式炉中，以5℃/min的升温速率加热到800℃，并保温2h，随炉冷却，用稀盐酸和去离子水反复洗涤活化后的多孔炭颗粒直至洗涤液ph＝7，干燥后得到多孔炭颗粒。
40.步骤4：配置含ni
2
的乙二醇溶液：将0.5g的聚乙烯吡络烷酮和1.5g的氯化镍添加到50ml乙二醇中，60℃水浴加热下机械搅拌0.5h直至试剂完全溶解；再向溶液中添加1.2g的naoh，60℃水浴加热下机械搅拌0.5h至完全溶解；
41.步骤5：共沉淀纳米镍微粒：将0.5g步骤3制备多孔炭颗粒添加到步骤4含ni
2
的乙二醇溶液中，60℃水浴加热下机械搅拌1h后加入5ml水合肼，待反应完成；
42.步骤6：收集表面沉积纳米镍微粒的多孔炭颗粒：收集步骤5反应完成后的沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤三次后，干燥箱中70℃干燥，获得表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波
吸收剂。该吸收剂中的纳米镍均匀沉积于多孔炭表面，纳米镍约占10wt.％，其余为多孔炭。
43.如图1(a)所示，多孔炭颗粒的粒径约300μm，具有丰富的孔结构。如图1(b)所示，纳米镍微粒沉积在多孔炭表面及孔中，颗粒相互连接成链状。
44.本实施例中，表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的性能如下：表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂样品和石蜡按照质量比w
样品
：w
石蜡
＝1:4掺杂后的测试结果，在频率为13.1ghz，匹配厚度为2mm时，最小反射率达到-38.42db；匹配厚度为2mm时，样品在11.1～16.3ghz频带范围内反射率值小于-10db，说明90％的入射微波在这个频带范围被吸收。
45.实施例2
46.本实施例中，一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法，包括以下步骤：
47.步骤1：多孔炭颗粒的制备：本实施例中，多孔炭的制备方法与实施例1中步骤1、2、3相同。
48.步骤2：多孔炭颗粒的敏化和活化：多孔炭颗粒室温下在溶液a中敏化3min，溶液b中活化5min；溶液a由2g的氯化亚锡和4ml稀盐酸(37wt.％)溶解于100ml去离子水中制备而成，溶液b由10mg的氯化钯和0.1mg稀盐酸(37wt.％)溶解于45ml去离子水中制备而成；
49.步骤3：配置含ni
2
的水溶液：将1g柠檬酸钠、3g碳酸钠、5g氯化镍溶解于50ml去离子水中，60℃下机械搅拌30min后添加3g氢氧化钠，继续搅拌30min使试剂完全溶解；
50.步骤4：共沉淀纳米镍微粒：将步骤3中配制的溶液置于水浴锅中，60℃下保持0.5h，然后向其中加入0.5g的多孔炭颗粒，机械搅拌0.5h后向溶液中添加5ml水合肼，待反应完成；
51.步骤5：收集多孔炭/纳米镍复合颗粒：收集步骤4反应完成后的沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤三次后，干燥箱中70℃干燥，获得表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂。该吸收剂中的纳米镍均匀沉积于多孔炭表面，纳米镍约占10wt.％，其余为多孔炭。
52.如图2(a)所示，多孔炭颗粒的粒径约300μm，具有丰富的孔结构。如图2(b)所示，纳米镍微粒沉积在多孔炭表面及孔中，微粒呈现球状。
53.本实施例中，表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的性能如下：表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂样品和石蜡按照质量比w
样品
：w
石蜡
＝1:4掺杂后的测试结果，在频率为3.1ghz，匹配厚度为2mm时，最小反射率达到-19.4db；匹配厚度为2mm时，样品在10.2～13.5ghz频带范围内反射率值小于-10db，说明90％的入射微波在这个频带范围被吸收。
54.实施例结果表明，本发明一种表面沉积纳米镍多孔炭颗粒微波吸收剂的制备方法为，通过热解和高温活化制备多孔炭颗粒，然后采用简单的共沉淀法在多孔炭表面沉积纳米镍微粒。通过这种方法制备的吸收剂孔隙发达，质量轻，阻抗匹配好，对电磁波损耗强，展现出优异的吸波性能。多孔结构不仅大大降低了材料自身的质量，而且提升吸收剂同空气之间的阻抗匹配性能；表面沉积的纳米镍微粒，在几乎不增加吸收剂质量的情况下，增加对入射微波的损耗，提升了材料的吸波性能。因此，本发明在低掺杂量和低厚度下也具有良好的吸波性能，是一种合格的微波吸收剂。