一种B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料

摘要

本发明公开了一种B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料，该材料是以石墨、碳纳米管、棉纤维等作为碳源，硼粉为硼源，与SiO2以及催化剂(硝酸铁或硝酸镍)充分混合后，在惰性气氛保护下加热反应，即得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。本发明所采用的原料简单易得、操作简单可控，制备的B4C/SiC纳米线复合材料结晶度好、形貌规则、尺寸均匀，具有良好的微波吸收性能。

权利要求

1.一种B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料，其特征在于该材料由下述方法制备得到：以石墨或碳纳米管作为碳源，或者以脱脂棉在管式炉中氩气气氛下700℃煅烧3小时得到的碳纤维作为碳源，硼粉为硼源，SiO2为硅源，硝酸铁或硝酸镍为催化剂，按照硼碳摩尔比为1:

4、SiO2与碳的摩尔百分比为15%～55%、催化剂与碳的摩尔百分比为10%～15%，将原料充分依次加入无水乙醇中，超声0.5～2小时，加热搅拌直至干燥，然后将干燥产物在惰性气氛保护下1200～1400℃反应，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

2.根据权利要求1所述的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料，其特征在于：所述SiO2与碳的摩尔百分比为30%～45%。

3.根据权利要求1所述的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料，其特征在于：将干燥产物在惰性气氛保护下1300℃反应2～3小时。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料，其特征在于：所述复合微波吸收材料的纳米线长度为1～50 µm，长径比为20～1000。

说明书

一种B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料

技术领域

[0001] 本发明属于微波吸收材料技术领域，具体涉及一种B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

背景技术

[0002] B4C的晶体结构为二十面体，构成B4C的C原子和B原子均属于非金属元素，而且原子半径小，所以两者形成了强共价键，使得B4C表现出了高熔点、高硬度、低密度、中子吸收性能等物理特性。与此同时，B4C材料在毫米波阶段的吸波性能已经得到实际运用(W.Bin,A.Bruschi.Absorbing coatings for high power millimeter-wave devices and matched.Fusion Engineering and design[J].2013, 2510-2514.)。研究表明，B4C块体材料可以通过2.45GHz微波辐射加热到2000℃, 烧结密度为理论密度的95％。这项实验证明了B4C材料在2.45GHz的频率具有一定的吸波性能(J.D.Kate,R.D.Blake,J.J.Petrovic,H.Sheinberg.Microwave sintering of boron carbide[J].MRS Proceedings.1988,10(1557):124-219.)。然而，B4C材料在更宽微波频段下的吸收性能则鲜有报道。

[0003] 近年来，一维无机纳米材料中的碳化物，如碳化硅、碳化硼等，由于其具有较强的量子尺寸效应，常常表现出比传统块体材料更好的力学、光学及电学性能，在构造纳米器件方面也具有很好的应用前景，受到了极大关注。如一维SiC纳米材料有着优异的介电性质，SiC纳米线的加入能够提高复合材料介电损耗能力，获得优异的吸波性能。一维B4C纳米材料具有比块体材料更为优良的力学性能，能够承受多次高应变弯曲循环试验，最高应变可达45％。单个纳米线在高应变弯曲循环下也表现出优异的阴极射线性质，证明了一维B4C纳米材料具有良好的电学性质(Yuan Huang,Fei Liu,Qiang Luo,Yuan Tian.Fabrication of patterned boron carbide nanowires and their electrical,filed emission,and flexibility properties.Nano Research[J].2012, Vol.5(12):896-902.)。然而，有关B4C纳米线的吸波性能未见报道。

[0004] 目前已存在多种纳米线的制备方法，其中包括基于气-液-固生长机制的化学气相沉积法，基于氧化物辅助生长机理的热蒸发法，以及使用一维材料作为模板通过覆盖或替换制备纳米线的模板法。其中，模板法原料简单易得，工艺相对简单实用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种结晶度好、形貌规则、尺寸均匀、具有良好的微波吸收性能的B4C/SiC纳米线复合材料。

[0006] 本发明的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料由下述方法制备得到：

[0007] 以石墨或碳纳米管或脱脂棉作为碳源，硼粉为硼源，SiO2为硅源，硝酸铁或硝酸镍为催化剂，按照硼碳摩尔比为1:4、SiO2与碳的摩尔百分比为15％～55％、催化剂与碳的摩尔百分比为10％～15％，将原料充分依次加入无水乙醇中，超声0.5～ 2小时，加热搅拌直至干燥，然后将干燥产物在惰性气氛保护下1200～1400℃反应，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

[0008] 上述制备方法中，优选SiO2与碳的摩尔百分比为30％～45％。

[0009] 上述制备方法中，进一步优选将干燥产物在惰性气氛保护下1300℃反应2～3 小时。

[0010] 本发明复合微波吸收材料的纳米线长度为1～50μm，长径比为20～1000。

[0011] 本发明的优点是：

[0012] (1)原料价格便宜，制备工艺简单，容易实现。

[0013] (2)所制备B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料组分可调，显微结构均匀。

[0014] (3)所制备B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料结晶度好、形貌规则、尺寸均匀。

[0015] (4)所B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料在2GHz～18GHz的频率范围内具有良好的吸波性能。

附图说明

[0016] 图1是实施例1制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料的SEM图。

[0017] 图2是实施例4制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料的SEM图。

[0018] 图3是对比例1制备的B4C纳米线(曲线a)以及实施例1(曲线b)和实施例4(曲线c)制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料的XRD图。

[0019] 图4是对比例1制备的B4C纳米线不同厚度下的反射系数随频率变化曲线。

[0020] 图5是实施例1制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料不同厚度下的反射系数随频率变化曲线。

[0021] 图6是实施例4制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料不同厚度下的反射系数随频率变化曲线。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

[0023] 实施例1

[0024] 按照硼碳摩尔比为1:4，SiO2相对于碳的摩尔百分比为16％，硝酸镍相对于碳的摩尔百分比为12％，将脱脂棉置于管式炉中，在氩气气氛中700℃煅烧3小时，得到碳纤维；将0.0780g(6.5mmol)碳纤维、0.2811g(26mmol)硼粉、0.0625g(1mmol) SiO2、0.1405g(0.8mmol)硝酸镍依次加入20mL无水乙醇中，超声0.5小时，加热搅拌直至干燥。将干燥后的粉体放在石墨模具中，置于管式炉中，在氩气气氛中1300 ℃加热2小时，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料(见图1)，纳米线长度为 5～10μm，长径比为50～125。

[0025] 实施例2

[0026] 按照硼碳摩尔比为1:4，SiO2相对于碳的摩尔百分比为16％，硝酸镍相对于碳的摩尔百分比为12％，将0.1200g(10.0mmol)粒径为100目的石墨、0.4324g (40.0mmol)硼粉、0.0961g(1.6mmol)SiO2、0.2162g(1.2mmol)硝酸镍依次加入30mL无水乙醇中，超声0.5小时，加热搅拌直至干燥。将干燥后的粉体放在石墨模具中，置于管式炉中，在氩气气氛中
1300℃加热2小时，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

[0027] 实施例3

[0028] 本实施例中，用等摩尔碳纳米管替换实施例2中的石墨，其他步骤与实施例2 相同，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

[0029] 实施例4

[0030] 按照硼碳摩尔比为1:4，SiO2相对于碳的摩尔百分比为36％，硝酸镍相对于碳的摩尔百分比为12％，将脱脂棉置于管式炉中，在氩气气氛中700℃煅烧3小时，得到碳纤维；将0.1536g(12.8mmol)碳纤维、0.5535g(5.12mmol)硼粉、0.2767g (4.6mmol)SiO2、0.2767g(1.5mmol)硝酸镍依次加入30mL无水乙醇中，超声 0.5小时，加热搅拌直至干燥。将干燥后的粉体放在石墨模具中，置于管式炉中，在氩气气氛中1300℃加热2小时，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料(见图2)，纳米线长度为10～30μm，长径比为100～600。

[0031] 实施例5

[0032] 按照硼碳摩尔比为1:4，SiO2相对于碳的摩尔百分比为36％，硝酸镍相对于碳的摩尔百分比为12％，将0.1200g(10.0mmol)粒径为100目的石墨、0.4324g (40.0mmol)硼粉、0.2162g(3.6mmol)SiO2、0.2162g(1.2mmol)硝酸镍依次加入20mL无水乙醇中，超声0.5小时，加热搅拌直至干燥。将干燥后的粉体放在石墨模具中，置于管式炉中，在氩气气氛中
1300℃加热2小时，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

[0033] 实施例6

[0034] 本实施例中，用等摩尔碳纳米管替换实施例5中的石墨，其他步骤与实施例5 相同，得到B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料。

[0035] 对比例1

[0036] 按照硼碳摩尔比为1:4，SiO2相对于碳的摩尔百分比为4％，硝酸镍相对于碳的摩尔百分比为12％，将脱脂棉置于管式炉中，在氩气气氛中700℃煅烧3小时，得到碳纤维；将0.0810g(6.8mmol)碳纤维、0.2919g(27.0mmol)硼粉、0.0162g (0.3mmol)SiO2、0.1459g(0.8mmol)硝酸镍依次加入20mL无水乙醇中，超声 0.5小时，加热搅拌直至干燥。将干燥后的粉体放在石墨模具中，置于管式炉中，在氩气气氛中1300℃加热3小时，得到B4C纳米线。

[0037] 为了证明本发明的有益效果，发明人将实施例1和实施例4制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料以及对比例1制备的B4C纳米线分别与石蜡按质量比为4:6 混合，制备成环状样品，采用矢量网络分析仪测试样品的微波电磁参数，并计算出在2GHz～18GHz的频率范围内不同匹配厚度下的反射损失，结果见图4～6。

[0038] 由图4～6可见，对比例1制备的B4C纳米线的匹配厚度为5mm时，反射损失在7.3GHz处达到最小值-13.4dB，有效吸收带宽为1.65GHz。而本发明实施例1制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料的匹配厚度为4mm时，反射损失在9.01GHz 处达到最小值-14.9dB，有效吸收带宽为2.34GHz，实施例4制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料的匹配厚度为3.3mm时，反射损失在11.8GHz处达到最小值 -50.8dB，有效吸收带宽为3.12GHz。由此可见，本发明的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料相对于B4C纳米线，具有更强的微波吸收损耗，且具有更大的有效吸收带宽，其中实施例4制备的B4C/SiC纳米线复合微波吸收材料相对于对比例1制备的 B4C纳米线，微波吸收损耗提高了近3倍，有效吸收带宽也提高了约1倍。