本發明涉及微波吸收復合材料，尤其是涉及一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、近年來，隨著通信技術的迅猛發展，對電磁波吸收材料的需求日益增長，特別是需要那些具有高吸收強度、寬吸收帶寬、低密度和超薄特性的材料。傳統的金屬材料雖然被廣泛使用，但其密度大、化學穩定性差等缺點促使研究者尋求新型替代材料。碳基材料因其輕質、優異的導電性和化學穩定性而成為研究的焦點。它們不僅可以單獨使用，還可以與磁性材料復合，形成磁性碳基復合材料，以提高阻抗匹配和微波吸收性能。

2、碳基材料的介電損耗性能相對單一，因此通過與磁性材料如鐵、鈷、鎳及其合金結合，可以構建具有多種損耗機制的復合吸收劑，實現更強的吸波性能。這種復合材料不僅降低了整體密度，還增強了耐氧化特性。常見的碳基材料包括碳粉、石墨、碳納米管和石墨烯，它們在實際應用中常與磁性合金復合，以優化阻抗匹配和損耗特性。

3、此外，吸收材料的結構設計也是吸波領域的研究熱點。一維磁性結構，如納米纖維、納米線、納米鏈和納米管，因其大縱橫比、形狀各向異性和高比表面積而受到關注。這些一維結構有助于形成獨特的一維各向異性磁相互作用網絡和互穿導電網絡，從而增強與外界電磁場的擴展和相互作用，有效衰減電磁波。一維結構還能調節微電場分布，改善電磁極化效應，并提高snoek’s極限，使磁共振向高頻方向移動，從而在較寬的頻率范圍內用作微波吸收劑。

4、靜電紡絲技術作為一種新型的制備方法，可以調整前驅體溶液的成分和配比，合理調控一維材料的組成和結構，為開發具有特定性能的一維磁性電磁波吸收材料提供了有效途徑。這些研究進展不僅推動了吸波材料的發展，也為電磁防護技術的進步提供了新的可能性。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料及其制備方法和應用，該復合材料具有三維網絡結構，并且鐵、鈷和鎳三種金屬元素的組成發揮了多種損耗機制的耦合作用，提高吸波性能的同時滿足“輕、薄、寬、強”的特點，同時滿足了制備條件可控且成本低的條件。

2、為實現上述目的，本發明提供了一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料，其特征在于，金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的化學式為：，其中，0<n<10。

3、優選的，所述金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的最大反射損耗為-10~-60db，有效吸收帶寬為2~7ghz。

4、優選的，所述金屬摻雜碳納米纖維吸波材料具有納米級均勻三維導電纖維網絡結構。

5、本發明還提供了上述一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，包括以下步驟：

6、s1、將金屬鹽按比例混合后加入含有高分子聚合物的有機溶劑中均勻攪拌得到前驅體溶液；

7、s2、利用靜電紡絲法對前驅體溶液進行紡絲，得到前驅體纖維；

8、s3、將前驅體纖維進行真空干燥，并在烘箱中進行預氧化，以得到穩定的三維網絡纖維結構；將預氧化得到的產物在氮氣氣氛下進行熱處理，得到金屬摻雜碳納米吸波纖維材料。

9、優選的，步驟s1中，金屬鹽為鐵鹽、鈷鹽以及鎳鹽，鐵鹽為硝酸鐵、碳酸鐵以及乙酰丙酮鐵中的任意一種，鈷鹽為硝酸鈷、碳酸鈷以及乙酰丙酮鈷中的任意一種，鎳鹽為硝酸鎳、碳酸鎳以及乙酰丙酮鎳中的任意一種，鐵鹽、鈷鹽以及鎳鹽的投入摩爾比為，其中，0<n<10；

10、所述高分子聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈以及聚乙烯醇任意一種；所述有機溶劑為n,n-二甲基甲酰胺或四氫呋喃。

11、優選的，步驟s1中，金屬鹽總質量和高分子聚合物的質量比為?（2~3.5）：1；高分子聚合物與有機溶劑的質量比為（1~1.5）：10。

12、優選的，步驟s2中，靜電紡絲法的設備參數為：電壓強度15~20kv，注射速率0.5ml/h，收集器距離5~15cm，溫度30~50℃，最高濕度60~70％rh，最低濕度20~30％rh。

13、優選的，步驟s3中，真空干燥的溫度為60~90℃，保溫時間為8~18h，所述預氧化溫度為120~200℃，保溫時間為1~4h。

14、優選的，步驟s3中，熱處理溫度可選擇700~900℃，保溫時間可選擇0.5~2h。

15、本發明還提供了一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料在電磁波吸收材料中的應用。

16、因此，本發明采用上述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料及其制備方法和應用，具備以下有益效果：

17、（1）本發明采用靜電紡絲法制備金屬摻雜碳納米纖維復合吸波材料，操作安全，產物形貌可控，成本低廉；

18、（2）本發明中采用三元鐵鈷鎳合金復合碳納米纖維可通過改變金屬元素比例和金屬與碳的比例來調整阻抗匹配、磁損耗等，實現對電磁波的有效衰減。

19、（3）本發明的產物具有填充率低、纖維密度小、吸收強度大的優點。

20、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料，其特征在于，金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的化學式為：，其中，0<n<10。

2.根據權利要求1所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料，其特征在于，所述金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的最大反射損耗為-10~-60db，有效吸收帶寬為2~7ghz。

3.根據權利要求1所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料，其特征在于，所述金屬摻雜碳納米纖維吸波材料具有納米級均勻三維導電纖維網絡結構。

4.一種如權利要求1~3任一項所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，步驟s1中，金屬鹽為鐵鹽、鈷鹽以及鎳鹽，鐵鹽為硝酸鐵、碳酸鐵以及乙酰丙酮鐵中的任意一種，鈷鹽為硝酸鈷、碳酸鈷以及乙酰丙酮鈷中的任意一種，鎳鹽為硝酸鎳、碳酸鎳以及乙酰丙酮鎳中的任意一種，鐵鹽、鈷鹽以及鎳鹽的投入摩爾比為，其中，0<n<10；

6.根據權利要求5所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，步驟s1中，金屬鹽總質量和高分子聚合物的質量比為?（2~3.5）：1；高分子聚合物與有機溶劑的質量比為（1~1.5）：10。

7.根據權利要求4所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，步驟s2中，靜電紡絲法的設備參數為：電壓強度15~20kv，注射速率0.5ml/h，收集器距離5~15cm，溫度30~50℃，最高濕度60~70％rh，最低濕度20~30％rh。

8.根據權利要求4所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，步驟s3中，真空干燥的溫度為60~90℃，保溫時間為8~18h，所述預氧化溫度為120~200℃，保溫時間為1~4h。

9.根據權利要求4所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的制備方法，其特征在于，步驟s3中，熱處理溫度可選擇700~900℃，保溫時間可選擇0.5~2h。

10.一種如權利要求1-3任一項所述的一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的應用，其特征在于，應用于電磁波吸收材料中。

技術總結
本發明公開了一種金屬摻雜碳納米纖維吸波材料及其制備方法和應用，屬于微波吸收復合材料技術領域。金屬摻雜碳納米纖維吸波材料的化學式為：，其中，0<n<10。將金屬鹽按比例混合后，加入含有高分子聚合物的有機溶劑中均勻攪拌得到前驅體溶液；利用靜電紡絲法對前驅體溶液進行不同條件下的紡絲，得到前驅體纖維后進行真空干燥并在烘箱中進行預氧化，以得到穩定的三維網絡纖維結構；將預氧化得到的產物在氮氣氣氛下進行熱處理，得到金屬摻雜碳納米纖維材料。本發明提供的復合材料具有三維網絡結構，并且鐵、鈷和鎳三種金屬元素的組成發揮了多種損耗機制的耦合作用，提高吸波性能的同時滿足“輕、薄、寬、強”的特點，而且制備條件可控，成本低。

技術研發人員：王永禎,原文佩,張妍蘭,王曉敏
受保護的技術使用者：太原理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24