中空碳复合纳米材料的制备及其微波吸收性能
摘要
随着通讯技术和雷达探测技术的不断发展，电子产品在国防、医疗、军事、民用等
领域得到了更广泛的应用。然而，随之而来的过量电磁辐射、电磁干扰引起的电磁污染
问题也给信息安全和人们的身体健康带来极大的威胁。微波吸收材料由于能够将电磁能
量直接转化为热能及其他能量耗散掉而成为了当前研究的热点。近年来，碳纳米材料作
为轻质吸波材料受到了研究者们的广泛关注。然而，单一的碳纳米材料由于本身高的电
导率、差的阻抗匹配水平、单一的损耗机制，会造成其吸收频带窄、吸收性能弱等缺点，
限制了它们的实际应用。一般来讲，通过合理的结构设计、组分调控及调节吸波材料的
电磁参数是解决上述问题、实现对微波高效吸收的有效途径。在众多结构中，中空结构
由于其大的比表面积、低的质量密度，且微波会在空腔内发生多次反射等优点，可以有
效降低吸波材料的添加量，并优化其阻抗匹配特性。但中空碳纳米材料内部的损耗机制
较为单一，无法为吸波过程提供足够的极化位点。因此，需要将中空碳纳米材料与介电
/磁性材料结合制备中空碳复合纳米材料，以增加材料内部的损耗机制，显著提升复合
材料的微波吸收性能。本论文设计合成了一系列具有独特结构的中空碳复合纳米材料，
并对其吸波性能进行了研究。主要研究内容如下：
（1）以硫化镍微球为模板，设计制备了“非常规”蛋黄-蛋壳结构的硫化镍/碳球复
合材料。该复合材料内部存在大量空腔，且内部的硫化镍始终与外部的碳层紧密结合。
在微波吸收过程中，该复合材料兼具核-壳结构和蛋黄-蛋壳结构的结构特点：既具有异
质界面，内部又存在自由空间，二者协同地提升了复合材料的微波吸收性能。在匹配厚
度仅为1.5mm时，最小反射损耗值可达到-37.2dB。
（2）以ZIF-67纳米板为模板，在相对较低的碳化温度下（480℃），采用原位生
长策略，在中空碳纳米板表面生长碳纳米管阵列，且碳纳米管内部负载了超小的（5
nm）磁性Co颗粒。碳纳米管的引入可以促进材料内部的界面极化，分级结构的构筑可
以增强材料的电导损耗并且改善阻抗匹配特性。同时，磁性Co颗粒的存在可以增强复
合材料的磁损耗能力，增加了材料内部的损耗机制。当匹配厚度仅为1.8mm时，有效
吸收带宽可达到4.26GHz。
（3）以SiO2为模板，将小尺寸的NiO/Ni异质结颗粒负载在中空碳球表面。实验结
果表明，异质结的引入可以增强材料的界面极化能力，从而促进吸波材料的介电损耗能
力，且碳球内部的大空腔结构可以优化吸波材料的阻抗匹配特性。独特的结构及组分赋
哈尔滨工程大学博士学位论文
予了复合材料优异的微波吸收性能，在匹配厚度仅为1.7mm时，有效吸收带宽达到4.38
GHz。
（4）为了进一步降低中空碳复合纳米材料的质量密度，以SiO2为模板，引入钴离
子，经过高温退火和酸刻蚀后，实现了金属钴单原子在中空碳球表面的均匀分布。实验
结果表明，金属钴单原子的引入可以调节相邻原子的电子结构，增强材料内部的偶极极
化。该复合材料在添加量仅为8wt.%时，最小反射损耗可达-44.96dB，有效吸收带宽可
以达到5.25GHz。同时，深入分析了单原子及单原子缺陷结构与微波吸收机制的关系。
本论文设计构建了几种中空碳复合纳米材料作为微波吸收材料，所制备的复合材料
均呈现中空、多孔结构，且含有多重异质界面。这些优势改善了单一碳纳米材料电导率
高、损耗机制单一、阻抗匹配特性差的缺点。同时，深入分析了几种复合材料的微波吸
收机制，为中空碳复合纳米材料在微波吸收领域应用奠定了基础。
关键词：碳纳米复合材料；中空结构；氮掺杂；异质结构；微波吸收
中空碳复合纳米材料的制备及其微波吸收性能
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofcommunicationandradardetectiontechnology,electrical
productionshavebeenwidelyutilizedindefense,medical,military,civilandoth