Las nanofibras de carbono apoyan la cerámica de SiOC porosa jerárquica hacia una absorción de microondas eficiente

Resultados y discusión

La figura 1 muestra la ilustración esquemática de la fabricación de HPSC. Etapa 1:se preparó el precursor con dimeticona y KH-570, y se obtuvo el tejido de nanofibras PAN mediante un método de electrohilado. Archivo adicional 1:La Figura S1 muestra la imagen óptica de la tela PAN (8 cm × 14 cm). Archivo adicional 1:Figura S2 exhibe las nanofibras PAN entrecruzadas con un diámetro de 378 nm. Estas fibras reticuladas forman una gran cantidad de poros, que se pueden utilizar directamente como plantillas porosas. Paso 2:el precursor preparado se inyectó en tejidos PAN. Paso 3:las HPSC se obtuvieron después de un tratamiento térmico. Después de la pirólisis y la estabilización, el precursor y las nanofibras de PAN se transformaron en cerámicas de SiOC y nanofibras de carbono (CNF), respectivamente. Los CNF se consideraron como la columna vertebral de una estructura porosa adecuada, y las cerámicas de SiOC se envolvieron en la superficie de los CNF. Por tanto, las HPSC se formaron mediante un método de pirólisis de molde / precursor. Como se muestra en la Fig. 2a, las HPSC exhiben un gran número de poros con estructuras porosas jerárquicas. La Figura 2b muestra los poros irregulares con un tamaño de 1,2 μm, correspondientes al escape de gas (CH ₄ , H ₂ ) en el proceso de pirólisis de precursores. Las figuras 2 cyd exhiben poros mucho más uniformes con un tamaño de 200 nm, que están construidos principalmente por nanofibras de carbono reticuladas.

La ilustración esquemática de la fabricación de HPSC

Las imágenes SEM de HPSC con diferentes aumentos: a × 5,0 k, b × 10,0 k, c × 10,0 ky d × 50,0 k

Los espectros XPS (Fig. 3) se realizan para verificar la composición de las muestras de HPSC. El espectro de la encuesta (Fig. 3a) determina la existencia de elementos Si, C y O dentro de la muestra de HPSC. Como se muestra en la Fig. 3b, el pico ancho de Si 2p exhibe tres bandas ajustadas alrededor de 102.30, 103.15 y 103.90 eV, correspondientes a los enlaces C – Si – O, Si – O y O – Si – O, respectivamente [19 ]. La mayor energía de enlace de 103,90 eV para el enlace O – Si – O se atribuye principalmente a la mayor electronegatividad del átomo de O (3.610) que la de los átomos de C (2.544) y Si (1.916). Como se muestra en la Fig. 3c, el espectro de C 1s muestra la presencia de valencia diferente alrededor del átomo de C que se origina de la unión con otros elementos. Se puede dividir en tres bandas a 284,60, 285,00 y 285,90 eV, que están relacionadas con los enlaces C – C, C – Si – O y C – O, respectivamente [20]. La Figura 3d revela que la banda ajustada de O 1s sugiere la presencia de enlaces Si – O (532,50 eV) y O – Si – O (533,20 eV). Los resultados de XPS indican que el componente SiOC se ha obtenido con éxito a través de este método de pirólisis precursora.

Los espectros XPS de HPSC. un El espectro de la encuesta. b El pico ajustado Si 2p. c El pico ajustado de C 1. d El pico ajustado O 1s

El espectro Raman (Figura 4a) se llevó a cabo para determinar la existencia de una fase de carbono libre dentro de las cerámicas de SiOC. El espectro Raman se puede ajustar en las bandas D, G, T y D ”. Las bandas D y G típicas se encuentran a 1328 y 1598 cm ⁻¹ , que indica la estructura de carbono amorfo. Las bandas D y T se atribuyen a la relajación de los huecos de electrones que se origina en el carbono grafítico desordenado, mientras que la banda D ”se asocia con el hollín de carbono amorfo. Y la banda G corresponde a E _2g modo que surge de la vibración de estiramiento en el plano de sp ² enlaces hibridados [21]. El patrón XRD de HPSC se traza en el archivo adicional 1:Figura S3. Un pico amplio alrededor de 24,5 ° se atribuye principalmente a la fase de carbono amorfo dentro de las cerámicas de SiOC y las nanofibras de carbono derivadas de PAN [22, 23]. La caracterización de TGA se llevó a cabo para medir la propiedad antioxidante de las HPSC. La Figura 4b muestra la curva TGA en la temperatura de 20 ~ 1000 ° C bajo una atmósfera de aire que fluye. Una pérdida de peso débil es de aproximadamente 5,1% en peso en el rango de 450 ~ 800 ° C, que se atribuye a la oxidación del componente de carbono libre dentro de las cerámicas de SiOC. Con base en el resultado de TGA, se puede concluir que las HPSC muestran una buena estabilidad térmica y propiedades antioxidantes, y las fibras de carbono como plantilla han sido totalmente envueltas y protegidas por cerámicas de SiOC. El N ₂ Las isotermas de adsorción-desorción se realizan para investigar el área de superficie de Brunauer-Emmet-Teller (BET) de las HPSC. La Figura 4c muestra un comportamiento típico de tipo IV, que revela la presencia de mesoporos en muestras de HPSC. Y las HPSC ofrecen una superficie BET de 51,4 m ² /gramo. La distribución del tamaño de los poros se estudia mediante el modelo de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). La Figura 4d muestra que las HPSC también poseen muchos mesoporos con un diámetro de 20 nm.

un El espectro Raman. b Curva TGA bajo atmósfera de aire. c N ₂ curvas de adsorción-desorción. d Distribución del tamaño de los poros de las muestras de HPSC

Como se muestra en la Fig. 5a, el rendimiento MA de las HPSC se ilustra mediante las curvas RL frente a la frecuencia a diferentes espesores de capa. Las HPSC brindan un RL óptimo _min valor de - 47,9 dB a 12,24 GHz, y un EAB de 4,56 GHz en el rango de 10,24 ~ 14,8 GHz con un grosor coincidente de 2,3 mm. El RL _min los valores pueden alcanzar - 23,8 dB a 14,56 GHz, - 47,9 a 12,24 GHz, - 45,5 a 10,8 GHz, - 26,6 a 8,72 GHz, - 23,5 a 7,28 GHz y - 20,3 dB a 6,32 GHz con espesores de 2,0, 2,3, 2,5 , 3,0, 3,5 y 4,0 mm, respectivamente. Este fenómeno se puede interpretar mediante el modelo de cancelación de un cuarto de longitud de onda, que ilustra la relación entre el espesor coincidente ( t _m ) y la frecuencia de coincidencia correspondiente ( f _m ) por la siguiente ecuación [24, 25].

$$ {t} _ {\ mathrm {m}} =n \ lambda / 4 =nc / \ left (4 \ {f} _ {\ mathrm {m}} \ \ sqrt {\ left | {\ varepsilon} _r \ right | \ left | {\ mu} _r \ right |} \ right) \ kern1.25em n =\ left (1,3,5, \ dots \ right) $$ (3)

Las propiedades MA de las HPSC. un Las curvas RL. b Las complejas curvas de permitividad y pérdida tangente. c RL _min versus espesor de absorbentes cerámicos similares a base de Si. d La ilustración esquemática del mecanismo MA

Cuando el t _m y f _m cumplir con la ecuación. (3) bueno, la diferencia de fase entre la onda incidente y la onda reflectante es de 180 °, lo que significa que el RL _min puede obtenerse debido a la disipación de energía electromagnética en la interfaz aire-absorbedor [26]. Archivo adicional 1:la Figura S4 muestra la t _m versus f _m curvas de 1 λ / 4 para HPSC; es evidente que \ ({t} _ {\ mathrm {m}} ^ {\ mathrm {exp}} \) los puntos están ubicados en \ ({t} _ {\ mathrm {m}} ^ {\ mathrm { cal}} \) líneas, revelando que este modelo puede exponer la relación entre t _m y f _m bien. La permitividad compleja es muy relevante para el desempeño de MA y la pérdida de tangente (tan δε = ε ″ / ε ′) Se utiliza generalmente para evaluar la capacidad de atenuación de los MAM [27]. La parte real ( ε ′) Representa la capacidad de almacenamiento de energía EM, mientras que la parte imaginaria ( ε ″) Corresponde a la capacidad de pérdida de energía EM [28]. La Figura 5b muestra la permitividad compleja y tan δε curvas de HPSC. El ε ′ Declina en todo el rango, y el ε ″ Ofrece un pico en el rango de 9.2 ~ 13.6 GHz. Por lo tanto, el tan δε exhibe un pico de relajación alrededor de 12.0 GHz, que está cerca de eso (12.24 GHz) del RL óptimo _min . Como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5, las partes real e imaginaria de la permeabilidad compleja son casi iguales a 1 y 0, respectivamente, lo que se atribuye al no magnetismo de las HPSC. La Figura 5c muestra una comparación de RL _min valor versus espesor de materiales cerámicos similares a base de Si en estudios recientes [12, 13, 14, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. Archivo adicional 1:Tabla S1 enumera los datos detallados de MA de todas las referencias relacionadas. Se puede encontrar que las HPSC no solo brindan un valor de RL óptimo, sino que también poseen un grosor delgado.

$$ \ alpha =\ frac {\ sqrt {2} \ pi f} {c} \ times \ sqrt {\ left ({\ mu} ^ {\ prime \ prime} {\ varepsilon} ^ {\ prime \ prime} - \ mu ^ {\ prime} \ varepsilon ^ {\ prime} \ right) + \ sqrt {\ left ({\ mu} ^ {\ prime \ prime} {\ varepsilon} ^ {\ prime \ prime} - \ mu ^ {\ prime} \ varepsilon ^ {\ prime} \ right) + \ left ({\ mu} ^ {\ prime \ prime} {\ varepsilon} ^ {\ prime} + \ mu ^ {\ prime} \ varepsilon ^ {\ prime \ prime} \ right)}} $$ (4)

Generalmente, la constante de atenuación EM ( α ) se considera un factor importante para evaluar la capacidad de disipación y puede expresarse mediante la ecuación. (4) [36]. Como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S6, las HPSC muestran una tendencia creciente y una fuerte capacidad de atenuación en el rango de 2 ~ 18 GHz. Estos valores son mucho mayores que los de materiales similares basados ​​en Si [31, 33]. Por otro lado, una adaptación de impedancia adecuada es favorable para hacer que más microondas se propaguen a los materiales. Cuando el valor de | Z _en / Z ₀ | es igual a 1, significa que no hay ningún reflejo de una onda incidente en la superficie del absorbedor de aire [37]. Como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S7, el | Z _en / Z ₀ | los valores de las HPSC están cerca de 1 en el rango máximo de 2 ~ 18 GHz. Y el RL _min óptimo Se obtiene un valor de - 47,9 dB a 12,24 GHz, y el correspondiente | Z _en / Z ₀ | El valor (0,994) es casi igual a 1. La Figura 5d demuestra un posible mecanismo MA de las HPSC. En primer lugar, la estructura porosa puede contribuir a extender la dispersión de la EMW, mejorando la atenuación de la energía electromagnética [5]. En segundo lugar, la polarización dipolar surge de SiOC debido a la existencia de SiOC, SiO _x y carbono libre [38]. Y hay una gran cantidad de límites de grano dentro de la estructura amorfa de SiOC; es un beneficio para mejorar la polarización interfacial. En tercer lugar, las abundantes interfaces entre CNF y SiOC desempeñan un papel vital en el aumento de la polarización interfacial [39]. En cuarto lugar, los CNF reticulados pueden proporcionar una ruta de transporte continua para los electrones libres, lo que es favorable para mejorar la pérdida de conducción [26, 40]. La adaptación de impedancia adecuada de las HPSC revela que se pueden propagar más microondas hacia los absorbentes y, por lo tanto, se puede disipar más energía electromagnética y convertirla en calor u otra energía. Sobre la base de estos aspectos, las HPSC exhiben un impresionante desempeño de MA. Y las propiedades de MA se pueden optimizar ajustando las composiciones químicas de SiOC y la estructura porosa (tamaño de poro, volumen de poro).

Conclusión

En resumen, las HPSC se han obtenido con éxito mediante un método de plantilla CNF. Las imágenes SEM y los resultados de BET revelan la estructura porosa jerárquica de la muestra de SiOC. Los resultados de XPS indican que SiOC está formado por SiOC, SiO _x y componentes de carbono libres. Las HPSC muestran una buena propiedad antioxidante según el resultado de TGA. El valor óptimo de RL y EAB de las HPSC pueden alcanzar - 47,9 dB y 4,56 GHz con un grosor de 2,3 mm, que es avanzado entre estos MAM similares. La excelente propiedad MA se origina a partir de múltiples reflejos, polarización, pérdidas conductoras y un efecto de adaptación de impedancia favorable. Las HPSC pueden ser candidatos potenciales para la aplicación de MA a alta temperatura debido a sus buenas propiedades antioxidantes y MA.

Disponibilidad de datos y materiales

Los datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen dentro del artículo y sus archivos adicionales.

Abreviaturas

APUESTA:

Brunauer – Emmet – Teller

BJH:

Barrett – Joyner – Halenda

CNF:

Nanofibras de carbono

DMF:

Dimetilformamida

EAB:

Ancho de banda de absorción efectivo

EMW:

Onda electromagnética

FESEM:

Microscopía electrónica de barrido por emisión de campo

HPSC:

Cerámica SiOC porosa jerárquica

MAM:

Materiales de absorción de microondas

PAN:

Poliacrilonitrilo

RL _min :

Pérdida mínima de reflexión

TGA:

Análisis de termogravimetría

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

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