Keramik SiOC Porus Hierarkis Diberi Kulit Serat Karbon untuk Serapan Mikrogelombang Unggul
Abstrak
Keramik SiOC porus hierarkis (HPSCs) telah disiapkan melalui pirolisis prekursor (campuran dimetikon dan KH-570) dan serat nano poliakrilonitril (template porus). HPSCs memiliki struktur porus hierarkis dengan luas permukaan BET 51,4 m2/g dan memiliki properti anti-oksidasi yang baik (hanya 5,1 wt.% penurunan berat). Berkat struktur porus, HPSCs memberikan nilai hilang pantulan optimal sebesar − 47,9 dB pada 12,24 GHz dan bandwidth serapan efektif sebesar 4,56 GHz dengan tebal 2,3 mm. Komponen SiOC amorfa, SiOx, dan karbon bebas dalam SiOC memberikan kontribusi untuk meningkatkan polarisasi dipol. Selain itu, antarmuka yang melimpah antara SiOC dan serat nano karbon (CNFs) mendukung peningkatan polarisasi antarmuka. Hilang konduktif yang timbul dari CNFs bersilang juga dapat meningkatkan performa serapan mikrogelombang.
Pendahuluan
Dengan perkembangan pesat teknologi komunikasi nirkabel, gelombang elektromagnetik (EMW) yang berlebihan telah dianggap sebagai polusi tipe baru, yang berbahaya bagi instrumen presisi, keamanan nasional, dan bahkan kesehatan manusia [1,2,3]. Segera untuk mengembangkan bahan serapan mikrogelombang (MAMs) berperforma tinggi untuk menekan polusi elektromagnetik yang tidak diinginkan. Terakhir, struktur porus telah terbukti menguntungkan untuk memperpanjang jalur propagasi dan kemudian meningkatkan pencitraan mikrogelombang, sehingga mengarah pada performa serapan mikrogelombang yang lebih baik. Misalnya, Yin et al. menyajikan bahwa pita mikrogelombang efektif yang sangat luas dari selulosa busa mencapai 29,7 GHz yang timbul dari struktur porus yang terhubung dengan baik [4]. Li et al. melaporkan bahwa karbon porus memberikan nilai hilang pantulan minimum (RLmin) sebesar − 56,4 dB, yang disebabkan oleh peningkatan kemampuan polarisasi dan refleksi multipel [5]. Selain itu, bahan porus biasanya dapat memenuhi persyaratan ringan untuk MAMs yang canggih. Oleh karena itu, merancang struktur porus adalah strategi yang efisien untuk meningkatkan properti serapan mikrogelombang MAMs.
Di antara bahan porus ini, keramik porus sebagai bintang baru telah menarik perhatian luas karena karakteristik anti-oksidasi, ekspansi termal rendah, dan daya tahan kimia dan fisik [6, 7]. Oleh karena itu, mereka sangat relevan untuk serangkaian aplikasi, seperti reaktor katalitik, filtrai, penyimpanan energi termal, pengolahan air, dan MAMs [8,9,10,11]. Menurut studi sebelumnya, keramik SiOC dianggap sebagai calon yang menjanjikan untuk aplikasi serapan mikrogelombang karena fase amorfa mereka (kompleks komponen SiOC, SiOx, dan karbon bebas), biaya rendah, dan fitur ringan [12,13,14,15]. Berkat keberadaan komponen karbon bebas, konduktivitas listrik materi SiOC jauh lebih tinggi daripada SiC (semikonduktor band gap lebar), yang menghasilkan hilang polarisasi dipol elektron yang lebih tinggi. Misalnya, Yin et al. melaporkan bahwa nilai RLmin keramik SiOC dapat mencapai − 46 dB, dan kemampuan serapan mikrogelombang yang baik terutama diatribusikan pada polarisasi dipol yang terjadi dalam fase SiC dan karbon bebas [14]. Namun, masih sedikit laporan tentang merancang struktur porus SiOC untuk aplikasi serapan mikrogelombang. Di atas semua, diharapkan untuk mengembangkan metode mudah untuk mempersiapkan keramik SiOC porus sebagai serap mikrogelombang berperforma tinggi.
Di sini, keramik SiOC porus hierarkis (HPSCs) telah dikonstruksi melalui integrasi prekursor sederhana dan template kain serkat non-woven. Hasil XPS mengungkapkan bahwa keramik SiOC terdiri dari SiOC, SiOx, dan karbon bebas. Berdasarkan teori garis transmisi, HPSCs memberikan nilai RL optimal sebesar − 47,9 dB dan bandwidth serapan efektif (EAB) sebesar 4,56 GHz. Performa serapan mikrogelombang yang baik diatribusikan pada refleksi multipel, polarisasi yang beragam, dan hilang konduktif. Pendekatan mudah ini dapat membuka jalan baru menuju pembuatan keramik porus yang berasal dari polimer untuk aplikasi serapan mikrogelombang.
Metode Eksperimen
Sintesis HPSCs
Untuk persiapan HPSC, dimetikon (Sinopharm Chemical Reagent) dan KH-570 (Sinopharm Chemical Reagent) digunakan sebagai bahan baku untuk menyiapkan prekursor. Pertama, mereka dicampur dengan rasio berat 19:1 dan kemudian diaduk pada 80 °C selama 6 jam. Kedua, kain serkat non-woven digunakan sebagai template melalui metode elektrospinning. Satu gram bubuk poliakrilonitril (PAN; Macklin) dilarutkan dalam 9,0 g pelarut N,N-dimetilformamida (DMF; Sinopharm Chemical Reagent) dengan pengadukan selama 5 jam. Selanjutnya, elektrospinning dilakukan pada tegangan 18 kV dan laju pakan 10 μL/min. Untuk mendapatkan hibrid prekursor/PAN, prekursor yang disiapkan dituntaskan ke dalam kain PAN. Akhirnya, hibrid dipanaskan hingga 1000 °C selama 2 jam dengan laju pemanasan 2 °C/min bajo atmosfer argon. Setelah pendinginan, HPSCs dikumpulkan tanpa perawatan lebih lanjut.
Karakterisasi
Morfologi sampel diselidiki oleh mikroskop elektron pencitraan emisi medan (FESEM; FEI Apreo). Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS, Thermo-VG Scientific, ESCALAB 250) digunakan dengan sumber X-ray Al-Kα monokromatik (energi eksitasi = 1486 eV). Spektra Raman diuji oleh mikroskop konfokal Raman (Renishaw RM2000) dengan panjang gelombang 514 nm pada suhu ruangan. Komposisi sampel dipelajari oleh difraksi X-ray (XRD) oleh difraktometer X-ray Rigaku D/max-RB12 dengan radiasi Cu Kα. Analisis termogravimetri (TGA) dicatat pada analyzer TGA/Q5000IR bajo atmosfer ambien. Isoterm adsorpsi dan desorpsi nitrogen diukur oleh instrumen ASAP 2020 Accelerated Surface Area and Porosimetry.
Pengukuran Serapan Mikrogelombang
Parameter elektromagnetik sampel yang dicampur dengan lilin (50 wt.%) diukur pada 2~18 GHz menggunakan jaringan vektor (N5245A, Agilent). Nilai hilang pantulan (RL) dihitung berdasarkan teori garis transmisi menggunakan persamaan berikut [16, 17].
di mana εr dan μr adalah permitivitas dan permeabilitas kompleks relatif masing-masing, f adalah frekuensi mikrogelombang, d adalah tebal sampel, c adalah kecepatan mikrogelombang dalam ruang hampa, Zin adalah impedansi input lumpur pada permukaan penyerap, dan Z0 adalah impedansi karakteristik udara [18].
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skematis pembuatan HPSCs. Langkah 1: prekursor disiapkan oleh dimetikon dan KH-570, dan kain serkat nano PAN diperoleh melalui metode elektrospinning. File tambahan 1: Gambar S1 menunjukkan citra optik kain PAN (8 cm × 14 cm). File tambahan 1: Gambar S2 menunjukkan serat nano PAN bersilang dengan diameter 378 nm. Serat bersilang ini membentuk sejumlah besar pori, yang dapat langsung digunakan sebagai template porus. Langkah 2: prekursor yang disiapkan dituntaskan ke dalam kain PAN. Langkah 3: HPSCs diperoleh setelah perawatan panas. Setelah pirolisis dan stabilisasi, prekursor dan serat nano PAN diubah menjadi keramik SiOC dan serat nano karbon (CNFs), masing-masing. CNFs dianggap sebagai tulang punggung untuk mendukung struktur porus, dan keramik SiOC melapisi permukaan CNFs. Jadi, HPSC terbentuk melalui metode pirolisis template/prekursor. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a, HPSC menunjukkan sejumlah besar pori dengan struktur porus hierarkis. Gambar 2b menampilkan pori yang tidak teratur dengan ukuran 1,2 μm, yang sesuai dengan pelarian gas (CH4, H2) dalam proses pirolisis prekursor. Gambar 2 c dan d menunjukkan pori yang jauh lebih seragam dengan ukuran 200 nm, yang terutama dibangun oleh serat nano karbon bersilang.
Ilustrasi skematis pembuatan HPSCs
Citra SEM HPSC pada berbagai pengesanan: a × 5.0 k, b × 10.0 k, c × 10.0 k, dan d × 50.0 k
Spektra XPS (Gambar 3) dilakukan untuk memverifikasi komposisi sampel HPSC. Spektra survei (Gambar 3a) memastikan keberadaan elemen Si, C, dan O dalam sampel HPSC. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, puncak lebar Si 2p menunjukkan tiga puncak fitting sekitar 102,30, 103,15, dan 103,90 eV, yang sesuai dengan ikatan C–Si–O, Si–O, dan O–Si–O, masing-masing [19]. Energi ikatan yang lebih tinggi 103,90 eV untuk ikatan O–Si–O terutama diatribusikan pada elektronegativitas atom O (3,610) yang lebih tinggi daripada C (2,544) dan Si (1,916) atom. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c, spektrum C 1s menunjukkan keberadaan valensi yang berbeda di sekitar atom C yang timbul dari ikatan dengan elemen lain. Ini dapat dibagi menjadi tiga pita pada 284,60, 285,00, dan 285,90 eV, yang terkait dengan ikatan C–C, C–Si–O, dan C–O, masing-masing [20]. Gambar 3d mengungkapkan bahwa pita O 1s yang di-fit menunjukkan keberadaan ikatan Si–O (532,50 eV) dan O–Si–O (533,20 eV). Hasil XPS menunjukkan bahwa komponen SiOC berhasil diperoleh melalui metode pirolisis prekursor ini.
Spektra XPS HPSCs. a Spektra survei. b Puncak Si 2p yang di-fit. c Puncak C 1s yang di-fit. d Puncak O 1s yang di-fit
Spektra Raman (Gambar 4a) dilakukan untuk memastikan keberadaan fase karbon bebas dalam keramik SiOC. Spektra Raman dapat di-fit menjadi pita D, G, T, dan D”. Pita D dan G tipikal terletak pada 1328 dan 1598 cm−1, yang menunjukkan struktur karbon amorfa. Pita D dan T diatribusikan pada relaksasi lubang elektron yang berasal dari karbon grafitik yang tidak teratur, sementara pita D” terkait dengan karbon api amorfa. Dan pita G sesuai dengan mode E2g yang timbul dari getaran peregangan dalam bidang ikatan yang dihibridisasi sp2 [21]. Pola XRD HPSCditampilkan dalam File tambahan 1: Gambar S3. Puncak lebar sekitar 24,5° terutama diatribusikan pada fase karbon amorfa dalam keramik SiOC dan serat nano karbon yang berasal dari PAN [22, 23]. Karakterisasi TGA dilakukan untuk mengukur properti anti-oksidasi HPSC. Gambar 4b menunjukkan kurva TGA pada suhu 20~1000 °C bajo atmosfer udara yang mengalir. Penurunan berat yang lemah sekitar 5,1 wt.% dalam rentang 450~800 °C, yang diatribusikan pada oksidasi komponen karbon bebas dalam keramik SiOC. Berdasarkan hasil TGA, dapat disimpulkan bahwa HPSC menunjukkan stabilitas termal yang baik dan properti anti-oksidasi, dan serat karbon sebagai template telah sepenuhnya dilapisi dan dilindungi oleh keramik SiOC. Isoterm adsorpsi–desorpsi N2 dilakukan untuk menilai luas permukaan Brunauer–Emmet–Teller (BET) HPSC. Gambar 4c menunjukkan perilaku tipe IV yang khas, yang mengungkapkan keberadaan pori meso dalam sampel HPSC. Dan HPSC memberikan luas permukaan BET 51,4 m2/g. Distribusi ukuran pori dipelajari oleh model Barrett–Joyner–Halenda (BJH). Gambar 4d menunjukkan bahwa HPSC juga memiliki banyak pori meso dengan diameter 20 nm.
a Spektra Raman. b Kurva TGA bajo atmosfer udara. c Kurva adsorpsi–desorpsi N2. d Distribusi ukuran pori sampel HPSC
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, performa serapan mikrogelombang (MA) HPSC diilustrasikan oleh kurva RL versus frekuensi pada berbagai tebal lapisan. HPSC memberikan nilai RLmin optimal sebesar − 47,9 dB pada 12,24 GHz, dan EAB sebesar 4,56 GHz dalam rentang 10,24~14,8 GHz dengan tebal yang cocok 2,3 mm. Nilai RLmin dapat mencapai − 23,8 dB pada 14,56 GHz, − 47,9 pada 12,24 GHz, − 45,5 pada 10,8 GHz, − 26,6 pada 8,72 GHz, − 23,5 pada 7,28 GHz, dan − 20,3 dB pada 6,32 GHz dengan tebal masing-masing 2,0, 2,3, 2,5, 3,0, 3,5, dan 4,0 mm. Fenomena ini dapat diinterpretasikan oleh model pembatalan kuarter-panjang gelombang, yang mengilustrasikan hubungan antara tebal yang cocok (tm) dan frekuensi yang cocok yang sesuai (fm) dengan persamaan berikut [24, 25].
Properti MA HPSC. a Kurva RL. b Kurva permitivitas kompleks dan tangen loss. c RLmin versus tebal serap seramik Si serupa. d Ilustrasi skematis mekanisme MA
Ketika tm dan fm memenuhi Persamaan (3) dengan baik, selisih fase antara gelombang insiden dan gelombang refleksi adalah 180°, yang berarti bahwa RLmin dapat diperoleh akibat pembuangan energi elektromagnetik pada antarmuka udara-penyerap [26]. File tambahan 1: Gambar S4 menunjukkan kurva tm versus fm dari 1λ/4 untuk HPSC; terlihat jelas bahwa titik \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{exp}} \) terletak pada garis \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{cal}} \), yang mengungkapkan bahwa model ini dapat menjelaskan hubungan antara tm dan fm dengan baik. Permitivitas kompleks erat kaitannya dengan performa MA, dan tangen loss (tanδε = ε″/ε′) secara umum digunakan untuk mengevaluasi kemampuan pemadatan MAMs [27]. Bagian riil (ε′) mewakili kemampuan penyimpanan energi EM, sementara bagian imajiner (ε″) sesuai dengan kemampuan pemadatan energi EM [28]. Gambar 5b menampilkan kurva permitivitas kompleks dan tanδε HPSC. ε′ menurun dalam seluruh rentang, dan ε″ memberikan puncak dalam rentang 9,2~13,6 GHz. Oleh karena itu, tanδε menunjukkan puncak relaksasi sekitar 12,0 GHz, yang dekat dengan (12,24 GHz) dari RLmin optimal. Seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1: Gambar S5, bagian riil dan imajiner dari permeabilitas kompleks hampir sama dengan 1 dan 0, masing-masing, yang diatribusikan pada non-magnetisme HPSC. Gambar 5c menunjukkan perbandingan nilai RLmin versus tebal seramik Si yang serupa dalam studi terbaru [12,13,14, 29,30,31,32,33,34,35]. File tambahan 1: Tabel S1 mencantumkan data MA terperinci dari semua referensi terkait. Dapat ditemukan bahwa HPSC tidak hanya memberikan nilai RL optimal tetapi juga memiliki tebal tipis.
Secara umum, konstanta pemadatan EM (α) dianggap sebagai faktor penting untuk menilai kemampuan dissipasi, dan dapat dinyatakan oleh Persamaan (4) [36]. Seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1: Gambar S6, HPSC menunjukkan tren yang meningkat dan kemampuan pemadatan yang kuat dalam rentang 2~18 GHz. Nilai-nilai ini jauh lebih besar daripada bahan Si yang serupa [31, 33]. Di sisi lain, impedance matching yang tepat menguntungkan untuk membuat lebih banyak mikrogelombang meresap ke dalam bahan. Ketika nilai |Zin/Z0| sama dengan 1, berarti tidak ada refleksi dari gelombang insiden pada permukaan udara-penyerap [37]. Seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1: Gambar S7, nilai |Zin/Z0| HPSC mendekati 1 dalam sebagian besar rentang 2~18 GHz. Dan nilai RLmin optimal sebesar − 47,9 dB diperoleh pada 12,24 GHz, dan nilai |Zin/Z0| yang sesuai (0,994) hampir sama dengan 1. Gambar 5d menunjukkan mekanisme MA yang mungkin dari HPSC. Pertama, struktur porus dapat berkontribusi untuk memperpanjang pencitraan EMW, meningkatkan attenuasi energi elektromagnetik [5]. Kedua, polarisasi dipol timbul dari SiOC karena keberadaan SiOC, SiOx, dan karbon bebas [38]. Dan ada sejumlah besar batas butiran dalam struktur SiOC amorfa; ini menguntungkan untuk meningkatkan polarisasi antarmuka. Ketiga, antarmuka yang melimpah antara CNFs dan SiOC memainkan peran vital dalam meningkatkan polarisasi antarmuka [39]. Keempat, CNFs bersilang dapat memberikan jalur transportasi yang kontinu untuk elektron bebas, yang menguntungkan untuk meningkatkan hilang konduktif [26, 40]. Impedance matching yang tepat dari HPSC mengungkapkan bahwa lebih banyak mikrogelombang dapat meresap ke dalam penyerab, dan oleh karena itu, lebih banyak energi elektromagnetik dapat diurapkan dan diubah menjadi panas atau energi lainnya. Berdasarkan aspek-aspek ini, HPSC menunjukkan performa MA yang mengesankan. Dan properti MA dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan komposisi kimia SiOC dan struktur porus (ukuran pori, volume pori).
Kesimpulan
Dalam rangkuman, HPSC berhasil diperoleh melalui metode template CNF. Citra SEM dan hasil BET mengungkapkan struktur porus hierarkis dari sampel SiOC. Hasil XPS menunjukkan bahwa SiOC terbentuk oleh komponen SiOC, SiOx, dan karbon bebas. HPSC menunjukkan properti anti-oksidasi yang baik sesuai dengan hasil TGA. Nilai RL optimal dan EAB HPSC dapat mencapai − 47,9 dB dan 4,56 GHz pada tebal 2,3 mm, yang unggul di antara MAM yang serupa. Properti MA yang unggul berasal dari refleksi multipel, polarisasi, hilang konduktif, dan efek impedance matching yang menguntungkan. HPSC dapat menjadi calon yang menjanjikan untuk aplikasi MA suhu tinggi karena properti anti-oksidasi dan MA yang baik.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel dan file tambahannya.
