电磁响应型螺旋纳米纤维的构建及吸波机理研究

Electromagnetic response type helical nano-structures possess huge potential in the development of high-performance electromagnetic waves absorbing materials, due to their electromagnetic cross polarization and low frequency dependence on electromagnetic waves. However, electromagnetic materials with helical nano-structures progress slowly during the past several decades, just because of the lack of efficient method for the construction of electromagnetic response type helical nano-structures. To solve this problem, we herein firstly use polypyrrole helical nano-fibers as the template to construct a series of electromagnetic response type helical nano-fibers by polydopamine surface modification, hydrothermal growth and controlled calcination processes. Then, we systematically study the electromagnetic response and electromagnetic waves absorption properties of the as-prepared helical nano-structures in broad frequency range (10 MHz-110 GHz), explore the relationship between nano-structure and electromagnetic or absorption properties, analyze the mechanism of electromagnetic depletion, and build the physical model of interaction between the electromagnetic waves and the helical nano-structures. This research will lay the foundation for the design, development and application of electromagnetic response type helical nano-fibers, and furnish new idea to solve the problems of the electromagnetic interference and radiation.

电磁响应型螺旋纳米结构对电磁波产生电与磁交叉极化，且吸波频率依赖性低，因而比传统材料更具有作为宽频高性能吸波材料的潜力。然而，螺旋纳米结构在电磁防护领域的研发进展并不顺利，主要原因在于构建电磁介质的螺旋结构并非易事，存在诸多挑战。针对这一情况，本次研究首先以螺旋构型可调的聚吡咯纳米纤维为硬模板，综合运用聚多巴胺表面改性技术、水热生长技术和控温煅烧技术等多种手段构建系列具备电磁特性的螺旋纳米纤维，解决其制备难题。然后研究该纤维的宽频段（10 MHz-110 GHz）电磁响应特性及规律、吸波特性，探究其微观螺旋结构与电磁响应特性及吸波特性的构效关系，揭示螺旋纳米结构对电磁波的损耗机制，构建螺旋结构与电磁波相互作用的物理模型，为基于螺旋结构的纳米吸波材料的设计、发展与应用奠定坚实的基础，为解决当前电磁环境的自扰、互扰和敌扰问题以及电磁辐射安全问题提供新思路。

当前，电磁环境的自扰、互扰、敌扰以及辐射泄露等问题已成为当前国防工程和环境安全面临的严峻问题。发展高性能吸波材料是解决当前复杂电磁环境下电磁干扰问题的重要途径。电磁响应型螺旋纳米结构对电磁波产生电与磁交叉极化，且吸波频率依赖性低，因而具有作为宽频吸波材料的可观发展前景。本项目提出以聚合物纳米纤维为硬模板构建电磁响应型螺旋纳米结构的策略，将研究内容分为聚吡咯纳米纤维结构调控、电磁响应型纳米纤维构建、电磁响应特性与吸波机理三部分展开研究，建立电磁响应型纳米吸波材料的可控制备方法，揭示相关吸波机理，最终为基于螺旋结构的纳米吸波材料的设计、发展与应用提供理论与技术支撑。主要工作包括：.（1）在聚吡咯纳米纤维的结构调控方面：我们分别通过设计不同分子结构的手性四唑两亲分子，利用其溶液自组装聚集体的诱导效应，成功实现了聚吡咯纳米纤维的微结构调控；利用质子酸和去掺杂实现了聚吡咯纳米纤维的电子结构调控，成功获得了可调的导电性；以银纳米线为核，通过氧化沉积实现了聚吡咯厚度的调控，成功合成了具有不同壳层厚度的系列纳米纤维；利用中空聚吡咯为种子诱导生长实现了中空聚吡咯纳米纤维构成的气凝胶结构的制备。.（2）在电磁响应型纳米纤维构建方面：结合表面化学修饰、控温碳化、氯气刻蚀、表面生长等技术手段，成功合成了多种电磁响应型纳米纤维，包括：中空螺旋氮杂碳纳米纤维、多层壳结构SiC@C@PPy、磁性复合纳米纤维、磁性聚吡咯纳米纤维等。.（3）在电磁响应特性与吸波机理方面：系统研究了上述聚吡咯纳米纤维及其衍生的复合纳米纤维的电磁响应行为，深入探讨了微观结构、界面极化、电导、阻抗匹配、质子酸掺杂、磁电耦合等与电磁波相互作用机制，建立了纤维结构与响应特性之间的构效关系，揭示了相关吸波机理。