1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
{title}文 献 综 述1.引言随着现代科技的不断进步，电磁波辐射的影响日益增大，这种影响体现在各种生活环境中。
在机场，飞机会因受到电磁波影响无法起飞而误点；在医院，移动电话等通讯设备常会影响一些电子诊疗仪器的正常工作。
电磁的出现，促进了人类文明的进步，给人们的生活带来了极大方便，我们的日常生活已经离不开电磁波，但它带来的危害不容忽视。
近些年来，电磁波危害日益严重，已逐渐成为一大环境污染。
因此，治理电磁波污染，刻不容缓，找到一个方法来抵御或减少电磁辐射的材料吸波材料，已成为当今科学研究领域的一个重大问题。
电磁吸波材料是指能够吸收或衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类功能材料。
随着社会的发展进步，吸波材料需要满足薄、轻、宽、强的要求，即厚度薄、质量轻、吸波频带宽、反射损耗能力强。
此外，高性能吸波材料还要具备耐温、耐湿、抗腐蚀等特点。
本文在分析吸波材料工作原理及分类的基础上，综述了近年来吸波材料在国内外的研究进展及特点，选择有序介孔碳复合材料作为我们的研究对象，并指出有序介孔碳复合材料作为高性能吸波材料的可行性[1]。
2.吸波材料原理吸波材料通过电损耗和磁损耗将入射电磁波的能量耗散，从而减少电磁波的反射率与透过率。
因此，吸波材料必须具备两个特性:①阻抗匹配特性，即要求材料具备特殊的边界条件，在电磁波经过吸波材料表面时尽可能减少反射，使电磁波进入材料内部;②衰减特性，即电磁波进入吸波材料内部后，使电磁波的能量尽量损耗，避免电磁波的再次反射与透射。
当电磁波垂直进入吸波材料界面时，反射系数R可用式(1)表示: (1)其中，Zin表示电磁波在吸波材料中的传输阻抗;Z0为电磁波在空气中的传输阻抗;Z=Zin/Z0，为界面处的传输阻抗。
如果要求反射系数R为0，能量耗散则要求Zin=Z0，即要求吸波材料与空气的传输阻抗相等。
因此，在设计吸波材料时，应使吸波材料的阻抗尽量接近自由空间的阻抗，从而减少电磁波的反射。
根据传输线理论，单层吸波材料的反射损耗(reflection loss，RL)可用式(2)表示: (2) (3)μr(μr=μ'－jμ″)表示材料的复数磁导率，εr(εr=ε'－jε″)表示材料的复数介电常数，f指电磁波的频率，d指吸波材料涂层的厚度，c指电磁波的传输速度。
μr和εr为材料的本身特性，决定了材料的吸波性能。
μ'和ε'代表材料对电磁波的储存能力，μ″和ε″代表材料对电磁波的损耗能力，通过测试材料的电磁参数，可以研究其吸波性能及吸波机理。
当RL＜－10dB时，90%的电磁波被吸收，相对应的频带被定义为有效吸波频带( effective microwave absorption bandwidth，EAB)。
电磁波在吸波材料内部传输时的损耗衰减主要通过材料介质的极化弛豫和共振吸收将电磁波转化为热能。
一般用tanδ表示材料的损耗能力，损耗因子又分为电损耗因子(tanδε)和磁损耗因子(tanδμ)，分别如式(4)和(5)所示: (4) (5)由公式(1)得出，当材料的传输阻抗与空气的传输阻抗相等时，材料的反射率为0，即电磁波完全进入材料内部。
损耗因子代表电磁波在材料内部的损耗，在尽量满足阻抗匹配的条件下使损耗因子越大，越有利于电磁波的衰减[2]。
3.吸波材料分类吸波材料按照吸波剂对电磁波的损耗机理可以分为磁损耗型、介电损耗型和导电损耗型3种。
（1）磁损耗型吸波材料包括铁氧体、磁性金属等，对电磁波的主要损耗机制是磁滞损耗、铁磁共振以及涡流损耗等;（2）介电损耗型吸波材料包括碳化硅、钛酸钡等，主要通过介电极化效应引起的弛豫损耗等吸收电磁波;（3）导电损耗型吸波材料包含电阻较小的碳材料、高分子导电聚合物及非磁性金属粉末等，这类材料在感应到外界电磁场时，内部会生成感应电流进而产生感应磁场，这些感应磁场可达到屏蔽外界电磁场的目的。
其中铁氧体、磁性金属具有较高的反射损耗，但存在密度大(＞1g/cm3)、添加量高(50%～70%，质量分数，下同)的缺陷;陶瓷类吸波材料具有耐高温、耐腐蚀的优点，但存在密度大、反射损耗低的缺点;导电聚合物虽然密度较低，但反射损耗也较低。
近年来，随着石墨烯、碳纳米管等材料的迅速发展，以碳材料为基体的低密度碳基吸波材料逐渐引起人们的关注。
Wang等合成了一种多孔纳米花状NiO@石墨烯材料，当其在石蜡基材中的添加量为25%、涂层厚度为1.7mm时，最高反射损耗达到了－59.6dB。
Li等将纳米Fe3O4包覆在碳纳米管表面，使材料的有效吸波频带达到了8.5GHz[3~4]。
4.吸波材料现状吸波材料的研究与应用无论在民用上还是军事上都已经成为一个热点问题。
具有良好吸波性能的吸收剂是吸波材料的核心，为满足其薄、轻、宽、强等性能的要求，吸收剂的研究也向高效化、复合化、兼容化和智能化方向发展。
目前国内外重点研究和应用的吸收剂主要集中在以下几个方面：磁性金属微粉、陶瓷、纳米材料、手性材料、导电高聚物、铁氧体、碳系复合材料等。
在这次课题中，主要研究碳系复合材料，碳材料属于电损耗型吸波材料，由于密度小，质量轻，化学性质稳定等优点，近年来越来越得到人们广泛关注。
目前碳系吸波材料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨以及生物质碳等。
本文重点介绍前面三种[5]。
4. 1碳纤维碳纤维具有密度低、强度大和热膨胀系数小等优点，广泛应用于复合材料增强相。
此外，复合后的碳纤维阻抗性能可调、介电损耗较强，为实现吸收电磁波提供了可能。
但单纯的碳纤维电阻率较低（小于10－３Ωcm），且无磁损耗或磁损耗很弱，以连续方式应用于复合材料中会导致电磁波的强反射。
因此，须对其进行结构设计、化学掺杂或表面改性处理，使其具有良好吸波性能[6]。
通常采用的方法是：（1）改变碳纤维碳化温度，调控纤维的结构，来调节碳纤维的电阻率；（2）改变碳纤维横截面的形状和大小，合理控制电导率，可提高其对电磁波的损耗能力，常见的碳纤维异性截面有角锥体、U形、W形、Y形、箭形以及中空三角形等；（3）表面改性，在碳纤维表面引入金属、高分子聚合物以及陶瓷相等物质，均可有效改善碳纤维的电磁性能；（4）对碳纤维改性掺杂，碳纤维的电阻率很低，碳化硅纤维的电阻率较高，吸波效果均不佳，可将碳、碳纤维按不同配合比掺杂混合，调整其电阻率，制成具有良好吸波性能的碳纤维－碳复合纤维。
在碳纤维作为吸波材料与粘结剂、固化剂等混合涂覆于目标装备表面时，表现出良好吸波性能。
其性能可通过以下两种机理来解释：一是在电磁场中碳纤维可被看作谐振子，与入射电磁波产生谐振，从而形成耗散电流；二是可被看作为偶极子，在电磁场作用下产生极化耗散电流，在周围基体作用下电磁能可转换为其它形式能量衰减掉[7]。
研究表明，碳纤维的含量、间距、粗细及排布方式都会影响材料的吸波性能，可对碳纤维进行表面化学改性和掺杂改性，在不同程度上调整纤维的电磁性能从而改善吸收性能，同时通过控制碳纤维的长度和含量，采用异型截面或螺旋碳纤维，进一步改进吸波碳纤维的制备工艺，提高碳纤维的吸波性能，这将使碳纤维吸波材料向低维化、复合化和多频谱兼容化等更高的要求发展[8~10]。
4. 2碳纳米管自1991年碳纳米管（CNTs）被发现以来，其特殊的纳米效应、螺旋结构、高温抗氧化性和比重小等优点倍受吸波材料研究者的青睐，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。
纯CNTs磁损耗较小，而介电常数较高，难以实现复介电常数与复磁导率匹配，可通过改变CNTs的结构、排列方式和外应力，控制其介电性能来提高吸波性能[11]。
CNTs作为偶极子在电磁场作用下产生耗散电流，耗散电流被周围基体衰减，使电磁波能量转化成热能等其他形式消耗；另外CNTs具有较高的比表面积，存在大量悬挂键易界面极化，对电磁波可进行多重散射。
通常将CNTs加入绝缘树脂或聚合物基底材料中形成复合材料，或者在CNTs内部进行铁磁材料掺杂、CNTs外铁磁性金属包覆后形成CNTs－磁性链复合物，而获得优良吸波性能。
采用多种材料的交叉复合，特别是与具有不同电磁特性材料的复合，可大幅度提高CNTs吸波性能[12~14]。
4. 3石墨烯石墨烯是一种二维层状结构的新型碳材料，它具有高导热系数、高介电常数、高电子迁移率、超大比表面积等特性。
其中，石墨烯较高的介电常数以及外层电子易极化弛豫的特性使得石墨烯可以通过介电损耗来吸收电磁波。
但纯石墨烯高的电导率使其阻抗匹配较差，大部分电磁波无法射入石墨烯内部从而影响了吸波性能[15~16]。
所以必须将石墨烯与其他材料复合，一方面是改善阻抗匹配，另一方面是引入磁损耗，在电损耗和磁损耗的综合作用下优化其吸波性能[17]。
方建军[18]等人用化学还原液相悬浮氧化石墨法制备了石墨烯，经亲水处理后，利用化学镀镍法在其表面镀上均匀镍颗粒层。
未镀镍石墨烯的吸波层厚度为1mm时，最大吸收值为-6.5dB(位于7GHz左右)，而镀镍石墨烯的吸波层厚度为1.5mm时，最大吸收值达-16.5dB(位于约12GHz处)，并且反射率在9.5~14.6GHz频带内低于-10dB。
李敏用溶胶-凝胶法和自蔓延法制备了纳米级的M型钡铁氧体，然后掺杂氧化石墨烯，且发现发现掺杂氧化石墨烯后，并没有改变M型钡铁氧体的相组成和显微结构。
M型钡铁氧体/氧化石墨烯复合吸波材料不仅吸波频带比纯M型钡铁氧体要宽，而且吸收强度也增强了。
其中掺杂3%氧化石墨烯，在10~18GHz吸波性能最好。
在12GHz处，掺杂氧化石墨烯质量分数为3%的样品比纯的M型钡铁氧体吸波性能增加20%。
5.有序介孔碳的制备介孔材料可以通过不同的技术来合成，例如：溶胶－凝胶法、模板辅助技术、微波辅助技术和化学蚀刻技术[19]。
5. 1溶胶－凝胶法溶胶－凝胶法是一种湿法化学技术，广泛应用于材料科学和陶瓷工程领域。
此过程也称化学溶液沉积方法。
在溶胶－凝胶法中，先制备用于无机网络生长的胶体悬浮液（即称为溶胶），然后再进行溶胶的胶凝过程，以形成连续液相（即凝胶）的网络[20~21]。
用于合成这些胶体的前驱体通常由被各种反应性配体包围的金属或类金属元素组成。
在溶胶－凝胶法中涉及的反应主要是基于金属醇盐缩合后的水解、醇解或配合，其中相应的氧化物和具有不同化学计量的混合氧化物也可通过溶胶－凝胶法制备介孔材料，可以使用不同的模板作为结构导向剂，如离子表面活性剂、三嵌段共聚物和有机小分子，其中以表面活性剂为模板是制备纳米介孔材料最为常用的方法[22~24]。
5. 2模板辅助技术模板辅助技术是合成有序介孔材料更为简易的技术。
在这种技术中，模板用于合成介孔材料。
它可以分为两类，一类是硬模板法，另一类是软模板法。
由于使用结构导向剂更容易通过接枝官能团来控制孔径和表面积，所以，模板法比其他方法更受欢迎。
5. 2. 1硬模板法硬模板法适应面广，主要步骤是将所需要材料的前驱物分子浇筑到预先合成好的具有介观结构的固体模板孔道中，再原位聚合转化形成目标产物，最后通过焙烧或者刻蚀法除去模板剂，就可以得到具有所需结构的介孔材料。
此方法的优点是主客体之间的相互作用力没有限制，但是合成步骤繁琐去除模板困难，还可能会造成环境污染（HF逸出），不适合大批量制备。
5. 2. 2软模板法软模板法是合成有序介孔材料使用最广泛的方法。
它利用柔性的表面活性剂分子、高分子嵌段共聚物或分子聚集体等为模板剂，与目标产物的骨架前驱物分子之间有较强界面相互作用（氢键、静电力、范德华力等），协同组装形成有机－无机或有机－有机复合的介观有序稳定结构，最后将模板剂通过焙烧或者萃取等方式除去，就能够得到孔道排列高度有序的介孔材料。
这种方法省时省力，可以通过调整软模板剂的种类、合成条件以及加入添加剂、去除模板的方式等方法来精确控制所合成的有序介孔结构的孔径尺寸、比表面积等[25]。
5. 3溶剂挥发诱导自组装法(EISA法)本实验采用溶剂挥发诱导自组装法（EISA法）合成孔径可调的有序介孔碳材料。
在众多模板法中，选择这种方法的主要原因是其避免了协同自组装过程，使前驱体聚合与表面活性剂自组装分两个过程进行，从而有利于对各个过程进行独立控制。
EISA法制备介孔碳是以三嵌段PEO-PPO-PEO共聚物为模板剂，酚醛树脂为碳前驱体自组装来合成有序介孔碳材料。
其合成过程是先在碱性条件下制备低聚的酚醛树脂前驱体，以乙醇或者易挥发性溶剂作为溶剂，在有机溶剂的环境中碳前驱体与模板剂的亲水端通过氢键作用发生有机-自组装过程。
随着溶剂的挥发，体系中通过氢键自组装，从无序到有序排列，碳前驱体与模板剂形成有序聚合物，固化后前驱体与模板剂的亲水端聚合成为具有网状结构的高分子骨架，模板剂经高温碳烧分解形成具有有序孔道结构的介孔碳材料。
由于复杂的自组装行为主要发生在溶剂的挥发和热聚合阶段，因此碳前驱体及表面活性剂的选择和两者之间的聚合方法为主要研究对象。
通过EISA方法不但可以制备出层状、体心立方、二维六方等不同结构的有序介孔碳材料，还可以调节介孔碳材料的孔径大小和外观形貌，因此在有序介孔碳材料的制备中被广泛应用。
杂化介孔碳同时具有介孔碳材料的均相介孔结构和杂化成分所产生的特殊功能引起了人们极大的关注[26]。
典型合成过程分为5步：(1)碱(NaOH)催化合成resol；(2)溶剂挥发诱导有机-有机自组装形成resol/嵌段共聚物复合介观相；(3)resol骨架的热固化；(4)低温焙烧脱除模板；(5)高温热解碳化。
进一步的研究证明，这种方法具有良好的一般性和普适性，通过选用不同的模板剂和控制条件，可制得多种不同结构、不同孔隙特征且高度有序的介孔碳材料。
合成方法如图1所示。
该方法中EISA过程是在近中性条件下完成，自组装驱动力源于三嵌段共聚物中PEO嵌段与酚醛树脂中酚羟基之间的氢键相互作用[27~30]。
图1利用介孔聚合物碳化制备介孔碳材料合成机理本课题主要考虑有序介孔碳作为吸波材料具有较好的性能，然后通过磁性纳米粒子的复合，可以获得性能更加优异并且制备较为简单的新型吸波材料，因此研究复合型介孔碳。
碳复合材料的合成方法主要有两种：一种是在介孔碳材料的合成过程中引入纳米粒子，通过自组装法使纳米粒子均匀分散，制备出骨架中含纳米粒子的有序介孔碳材料，另一种是在合成介孔碳材料的过程中加入其它具有特殊结构的功能材料，如碳纳米管、石墨烯等，使前驱体预聚物粘附在其它材料的表面或者将材料包埋，通过EISA方法合成出具有特殊结构的碳基复合材料。
6.结语目前，吸波材料多种多样，但总的目标都是为了实现吸波涂层轻且薄，吸波频带宽以及吸波能力强，其中碳系吸波材料就有很大研究空间。
有序介孔碳作为吸波材料具有较好的性能，然后通过磁性纳米粒子的复合，可以获得性能更加优异并且制备较为简单的新型吸波材料，为吸波材料的设计与制备提供了一个新思路。
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近年来，随着石墨烯、碳纳米管等材料的迅速发展，以碳材料为基体的低密度碳基吸波材料逐渐引起人们的关注。
多孔碳材料具有高的比表面积，被广泛应用在催化、能源储存等多个方面。
多孔结构也使多孔碳成为一种理想的吸波材料:首先，多孔结构使材料具有低密度和适中的介电常数，使得大部分电磁波能够进入多孔材料内部;其次，多孔结构可以制造更多的界面极化损耗，进一步增强材料对电磁波的吸收。
简单的多孔碳材料仍存在损耗机制单一和阻抗不匹配的问题，许多研究者将其他损耗材料引入到多孔碳材料中以改善其吸波性能。
本课题利用EISA法合成有序介孔碳的过程简单易控，磁性粒子的符合加入也较为成熟，所以孔径可调、磁性粒子可控复合的有序介孔碳材料的实验室制备能够实现。
3.预期目标优化复合改性工艺，提高有序介孔碳材料的吸波能力，为更多的碳基吸波材料的设计提供解决方案。
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