银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料，还涉及一种银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法。

背景技术

在各种形态的碳材料中，如纤维状、管状、球形、片状和粒状，碳泡沫具有特定的孔状结构，其中大多数大孔相互连接，即开孔结构。由于这种孔状结构，它们具有新的特征，如大的几何表面积，与碳材料的基本特性相关，如重量轻、热稳定性高、疏水表面性质、高热导率和导电率等，通过控制其结构从石墨到非晶态以及纳米结构从取向到无取向，可以在相对较宽的范围内改变其热导率和电导率。在泡沫炭中，除了控制大孔碳壁中的结构和纳米结构外，还可以通过孔结构来控制其性能，与具有其他形态的碳材料相比，这种结构和纳米结构可以在控制体积性能方面提供更大的公差。

泡沫炭是以富含碳元素的物质为原料，经过发泡、固化、炭化及石墨化等工艺流程制备得到的一种由泡孔及泡孔壁组成的三维轻质功能性炭材料。由于其优越的性能，如隔热、冲击吸收和气体过滤等，泡沫炭材料受到了广泛关注，基于泡沫炭优异的性能特征，其在隔热材料、优质夹层材料、储能电极材料、电磁屏蔽材料、吸波材料等领域有着极大的潜在应用价值。但单独泡沫炭的导电率及电磁屏蔽效能无法满足目前所需，故需要制备导电率及电磁屏蔽效能更高的材料满足应用要求。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料，解决了现有技术中存在的泡沫炭的导电性能不足和电磁屏蔽能力较弱的问题。

本发明的第二个目的是提供一种银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，泡沫炭的制备；

步骤2，Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的制备。

本发明的特征还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

将三聚氰胺泡沫置于管式炉中，通入氮气20min-30min，进行热处理，然后冷却至室温，将试样取出得到泡沫炭；再取去离子水与体积浓度为65％-68％的浓硝酸按照体积比为7-8：1的比例进行混合得到混合溶液，将加热处理得到的泡沫炭置于混合溶液中，装入反应釜，在干燥箱中在110℃-120℃条件下保温90min-120min，取出后，用去离子水洗至水溶液洗至中性，并在无水乙醇中超声震荡5min-10min后，置于恒温干燥箱中60℃-70℃干燥1天-2天。

步骤1中，热处理过程为：加热至1000℃-1100℃，并保温1h-2h；其中，热处理至冷却到室温的过程为：第一阶段升温至400℃，保温50min-60min，第二阶段升温至1000℃-1100℃，保温50min-60min，第一阶段及第二阶段的升温速率为2℃/min-5℃/min；随后以2℃/min-5℃/min的降温速率降温至200℃。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，分别称取AgNO

步骤2.2，将步骤1酸化后的泡沫炭置于步骤2.1得到的反应母液中，超声30min-40min后，置于鼓风干燥箱中200℃-220℃保温8h-10h，取出泡沫炭，用去离子水清洗至烧杯中水液清澈，将其真空冷冻干燥40h-42h，得到厚度为1mm-5mm的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料。所制备的银纳米颗粒纯度可达99.99％，尺寸为90-100nm，制备的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料电导率可达为234.80S/m，孔隙率可达95％。

步骤2.1中，PVP的Mw＝1000～1300000。

本发明所采用的第二个技术方案是，银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料，由上述的方法制备得到。

本发明的有益效果是：

本发明方法可以通过直接炭化法制备典型三维网状开孔结构泡沫炭，然后再采用水热还原法利用PVP的弱还原性与其作为表面活性剂简便快捷地制备出了形貌均匀粒径在100nm的球形银纳米颗粒，银纳米颗粒拥有非常优异的导电性，且因其处于纳米尺度而拥有尺寸效应使之有较高的表面能以及良好的催化性能。最后采用水热还原法将银纳米颗粒附载在泡沫炭上，制备得到银纳米颗粒/泡沫炭复合材料。一方面，PVP的加入可以保证银纳米颗粒在泡沫炭基体中分散均匀；另一方面，可以通过泡沫炭介电损耗和银纳米颗粒导电性之间的协同优化作用，提高复合体系的反射损耗和吸收损耗，获得高电磁屏蔽效能的泡沫炭复合材料。本发明材料解决了现有技术中存在的泡沫炭的导电性能不足和电磁屏蔽能力较弱的问题。

附图说明

图1为实施例1制备得到的泡沫炭复合材料XRD图；

图2为实施例1制备得到的1050×倍下Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的SEM图像；

图3为实施例1制备得到的3500×倍下Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的SEM图像；

图4为实施例1制备得到的2500×倍下Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的SEM图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，泡沫炭的制备；

步骤1具体按照以下步骤实施：

将三聚氰胺泡沫置于管式炉中，通入氮气20min-30min，进行热处理，然后冷却至室温，将试样取出得到泡沫炭；再取去离子水与体积浓度为65％-68％的浓硝酸按照体积比为7-8:1的比例进行混合得到混合溶液，将加热处理得到的泡沫炭置于混合溶液中，装入反应釜，在干燥箱中在110℃-120℃条件下保温90min-120min，取出后，用去离子水洗至水溶液洗至中性，并在无水乙醇中超声震荡5min-10min后，置于恒温干燥箱中60℃-70℃干燥1天-2天。

步骤1中，热处理过程为：加热至1000℃-1100℃，并保温1h-2h；其中，热处理至冷却到室温的过程为：第一阶段升温至400℃，保温50min-60min，第二阶段升温至1000℃-1100℃，保温50min-60min，第一阶段及第二阶段的升温速率为2℃/min-5℃/min；随后以2℃/min-5℃/min的降温速率降温至200℃。

步骤2，Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的制备。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，分别称取AgNO

步骤2.2，将步骤1酸化后的泡沫炭置于步骤2.1得到的反应母液中，超声30min-40min后，置于鼓风干燥箱中200℃-220℃保温8h-10h，取出泡沫炭，用去离子水清洗至烧杯中水液清澈，将其真空冷冻干燥40h-42h，得到厚度为1mm-5mm的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

本发明还提供一种银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料，由上述的方法制备得到。

实施例1

银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，泡沫炭的制备；

步骤1具体按照以下步骤实施：

将三聚氰胺泡沫置于管式炉中，通入氮气20min，进行热处理，然后冷却至室温，将试样取出得到泡沫炭；再取去离子水与体积浓度为65％的浓硝酸按照体积比为7:1的比例进行混合得到混合溶液，将加热处理得到的泡沫炭置于混合溶液中，装入反应釜，在干燥箱中在110℃条件下保温90min，取出后，用去离子水洗至水溶液洗至中性，并在无水乙醇中超声震荡5min-10min后，置于恒温干燥箱中60℃干燥1天。

步骤1中，热处理过程为：加热至1000℃，并保温1h；其中，热处理至冷却到室温的过程为：第一阶段升温至400℃，保温50min，第二阶段升温至1000℃，保温50min，第一阶段及第二阶段的升温速率为2℃/min；随后以2℃/min的降温速率降温至200℃。

步骤2，Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的制备。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，分别称取AgNO

步骤2.2，将步骤1酸化后的泡沫炭置于步骤2.1得到的反应母液中，超声30min后，置于鼓风干燥箱中200℃保温8，取出泡沫炭，用去离子水清洗至烧杯中水液清澈，将其真空冷冻干燥40h，得到厚度为1mm的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

参数1：实施例1中步骤1制备的泡沫炭的电导率为18.48S/m；

参数2：实施例1中步骤1泡沫炭的密度为0.2g/cm

参数3：实施例1中步骤2制备的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料上附着的银纳米颗粒纯度≥99.99％；

参数4：实施例1中步骤2制备的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料上附着的银纳米颗粒尺寸为90nm；

参数5：实施例1中步骤2制备得到的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料电导率最大为234.80S/m；

参数6：实施例1中步骤2制备的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料孔隙率90％；

参数7：实施例1中步骤2制备的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料电磁屏蔽效能为25.36dB。

图1为制备得到的泡沫炭复合材料XRD图，能明显看到弥散石墨化碳的(002)晶面，且能明显看到属于Ag的在10～80°的四个峰(111)、(200)、(220)与(311)，表明Ag纳米颗粒成功附着到了泡沫炭上。图2-4为不同倍数下本发明制备得到的泡沫炭复合材料SEM图，图2-4中清晰可见泡沫炭的韧带与韧带相连处的脊上附着了大量的颗粒，且分布均匀，说明泡沫炭对Ag纳米颗粒有着良好的吸附作用，且泡沫炭不会影响到Ag纳米颗粒的结晶生长。

实施例2

银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，泡沫炭的制备；

步骤1具体按照以下步骤实施：

将三聚氰胺泡沫置于管式炉中，通入氮气30min，进行热处理，然后冷却至室温，将试样取出得到泡沫炭；再取去离子水与体积浓度为68％的浓硝酸按照体积比为8:1的比例进行混合得到混合溶液，将加热处理得到的泡沫炭置于混合溶液中，装入反应釜，在干燥箱中在120℃条件下保温120min，取出后，用去离子水洗至水溶液洗至中性，并在无水乙醇中超声震荡10min后，置于恒温干燥箱中70℃干燥2天。

步骤1中，热处理过程为：加热至1100℃，并保温2h；其中，热处理至冷却到室温的过程为：第一阶段升温至400℃，保温60min，第二阶段升温至1100℃，保温60min，第一阶段及第二阶段的升温速率为5℃/min；随后以5℃/min的降温速率降温至200℃。

步骤2，Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的制备。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，分别称取AgNO

步骤2.2，将步骤1酸化后的泡沫炭置于步骤2.1得到的反应母液中，超声40min后，置于鼓风干燥箱中220℃保温10h，取出泡沫炭，用去离子水清洗至烧杯中水液清澈，将其真空冷冻干燥42h，得到厚度为5mm的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

实施例3

银纳米颗粒增强泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，泡沫炭的制备；

步骤1具体按照以下步骤实施：

将三聚氰胺泡沫置于管式炉中，通入氮气25min，进行热处理，然后冷却至室温，将试样取出得到泡沫炭；再取去离子水与体积浓度为66％的浓硝酸按照体积比为7.5:1的比例进行混合得到混合溶液，将加热处理得到的泡沫炭置于混合溶液中，装入反应釜，在干燥箱中在115℃条件下保温100mi n，取出后，用去离子水洗至水溶液洗至中性，并在无水乙醇中超声震荡8min后，置于恒温干燥箱中65℃干燥1.5天。

步骤1中，热处理过程为：加热至1050℃，并保温1.5h；其中，热处理至冷却到室温的过程为：第一阶段升温至400℃，保温45min，第二阶段升温至1050℃，保温45min，第一阶段及第二阶段的升温速率为3℃/min；随后以3℃/min的降温速率降温至200℃。

步骤2，Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料的制备。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，分别称取AgNO

步骤2.2，将步骤1酸化后的泡沫炭置于步骤2.1得到的反应母液中，超声30min-40min后，置于鼓风干燥箱中210℃保温9h，取出泡沫炭，用去离子水清洗至烧杯中水液清澈，将其真空冷冻干燥41h，得到厚度为4mm的Ag纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

经测量分析复合材料的孔隙率基本一致，在90-95％范围内；经测量分析，各实施例均成功在泡沫炭基体上负载银纳米颗粒；复合材料密度在0.4-0.6g/cm

利用网络矢量分析仪测量复合材料在Ku波段(12～18GHz)的电磁参数，经过计算得到电磁屏蔽总效能，结果如表1所示，同时相应材料的电导率的数据也记录在表1中。

表1

本发明方法一方面可以保证银纳米颗粒在泡沫炭基体中均匀的分散性；另一方面，可以通过泡沫炭介电损耗和银纳米颗粒导电性的协同优化作用，获得高电磁屏蔽效能的泡沫炭复合材料，由表1内容可以看出本发明的材料的电磁屏蔽性能更高，与泡沫炭相比本发明材料的电导率也有明显提升。

在电磁屏蔽能力提升的情况下，此种体系下的电导率最高可达215.60-234.80(S/m)。同时本发明制备泡沫炭电磁屏蔽符合材料的方法，具有制作工艺简单及稳定性较好的特点。所制备的复合材料纯度达99.99％，孔隙率在90％-95％，密度在0.4-0.6g/cm