DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01527-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39331208
تاريخ النشر: 2024-09-27
المؤلف: Zhiqiang Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير مركبات أحادية البعد (1D) من SnS/SnS₂/SnO₂/CF من خلال هندسة تعديل المكونات، بهدف تحقيق امتصاص متفوق لموجات الكهرومغناطيسية (EMW) ومقاومة للتآكل. تسهل البنية الهندسية أحادية البعد شبكة توصيل تعزز فقدان التوصيل، بينما يعزز تشكيل واجهات غير متجانسة متعددة استرخاء الاستقطاب ويحقق تطابقًا مثاليًا للمقاومة. وهذا يؤدي إلى أداء ملحوظ في امتصاص EMW، مع حد أدنى لفقدان الانعكاس (RL min) قدره -46.74 ديسيبل عند سمك 2.0 مم وعرض نطاق امتصاص فعال (EAB max) قدره 5.28 غيغاهرتز عند 1.7 مم.
بالإضافة إلى ذلك، تشير الاختبارات الكهروكيميائية إلى أن مركبات SnS/SnS₂/SnO₂/CF توفر حماية كبيرة من التآكل من خلال إعاقة اختراق الوسائط المسببة للتآكل، مما يؤخر تفاعلات التآكل. تسلط النتائج الضوء على إمكانية تعديل مكونات المواد لتحقيق ممتصات EMW عالية الكفاءة تظهر أيضًا مقاومة ممتازة للتآكل، مما يمهد الطريق للتقدم في تصميم مواد متعددة الوظائف لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الملحة لتلوث موجات الكهرومغناطيسية (EMW)، والتي تشكل مخاطر كبيرة على صحة الإنسان بسبب انتشار المنتجات الإلكترونية وتقنيات الاتصال اللاسلكي. للتخفيف من هذه الآثار، يعد تطوير مواد امتصاص EMW المتقدمة أمرًا ضروريًا، تتميز بخصائص مثل خفة الوزن، والرقة، وسعة الامتصاص القوية، وعرض نطاق امتصاص فعال واسع. تم استكشاف مواد متنوعة، بما في ذلك الجرافيت الموسع، والغرافين، وألياف الكربون النانوية، والبوليمرات الموصلية، لخصائصها المفيدة. ومع ذلك، غالبًا ما تعاني المواد ذات المكون الواحد من خصائص عازلة ضعيفة وعدم تطابق في المقاومة، مما يستلزم تصميم مواد مركبة متعددة المكونات لتعزيز امتصاص EMW من خلال تحسين استقطاب الواجهة وتطابق المقاومة.
في هذه الدراسة، يتم دمج ألياف الكربون (CF) مع مواد شبه موصلة مثل أكسيد القصدير (SnO₂)، وثنائي كبريتيد القصدير (SnS₂)، وكبريتيد القصدير (SnS) لإنشاء مركبات CF المعدلة بالقصدير. تستفيد هذه المركبات من الخصائص الهيكلية والكهربائية الفريدة للمواد شبه الموصلة لتحسين امتصاص EMW. تشمل عملية التصنيع الدوران الكهروستاتيكي والتكلس عند درجات حرارة عالية لتشكيل هيكل CF، تليها طرق التحلل المائي والتحلل الحراري لتحقيق مركب يحتوي على العديد من الواجهات غير المتجانسة. تظهر مركب SnS/SnS₂/SnO₂/CF قدرات امتصاص EMW مثيرة للإعجاب، حيث تحقق حد أدنى لفقدان الانعكاس قدره -46.74 ديسيبل عند سمك 2.0 مم وعرض نطاق امتصاص فعال قدره 5.28 غيغاهرتز عند 1.7 مم. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الطلاءات المركبة مقاومة طويلة الأمد للتآكل، مما يشير إلى إمكاناتها للتطبيق في بيئات صعبة. تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول تصميم ممتصات EMW خفيفة الوزن وفعالة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك كلوريد القصدير (II) ثنائي الهيدرات ($\text{SnCl}_2 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$)، سترات ثلاثي الصوديوم ثنائي الهيدرات ($\text{Na}_3\text{C}_6\text{H}_5\text{O}_7 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$)، ثيوأسيتاميد (TAA، $\text{C}_2\text{H}_5\text{NS}$)، حمض الأسيتيك ($\text{CH}_3\text{COOH}$)، ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF، 99%)، بولي أكريلونيتريل (PAN، الوزن الجزيئي $M_w = 150,000$)، وإيثانول خالي من الماء ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$، AR). كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية وتم استخدامها مباشرة دون أي تنقية إضافية، مما يضمن سلامة وموثوقية النتائج التجريبية. تم أيضًا استخدام الماء المقطر في الإجراءات، مما يبرز التركيز على الحفاظ على معايير نقاء عالية طوال التجارب.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول مركبات SnS/SnS₂/SnO₂/CF عن تخليق ناجح وتوصيف للمواد من خلال طرق متنوعة، بما في ذلك العمليات الهيدروحرارية والاختزال الحراري. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) وجود مستويات بلورية مميزة لـ SnO₂ وSnS₂ وSnS، مما يشير إلى تشكيل هيكل مركب متعدد المكونات. أظهرت نتائج مطيافية رامان درجة عالية من الجرافيتية في هيكل ألياف الكربون (CF)، مما يعزز نقل الإلكترونات وقدرات امتصاص موجات الكهرومغناطيسية (EMW). أشارت تحليل مطيافية الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS) إلى وجود فراغات كبريتية وحالات كيميائية مميزة لـ Sn وO وC وS، والتي تساهم في الخصائص الإلكترونية للمركبات.
تم تقييم الخصائص الكهرومغناطيسية للمركبات، حيث أظهرت SnS/SnS₂/SnO₂/CF قدرات فائقة في فقدان العزل وتطابق المقاومة، مع حد أدنى لفقدان الانعكاس (RL) قدره -46.74 ديسيبل عند سمك 2.0 مم وعرض نطاق امتصاص فعال (EAB) قدره 5.28 غيغاهرتز. سلطت الدراسة الضوء على أهمية الواجهات غير المتجانسة وعمليات استرخاء الاستقطاب في تعزيز امتصاص EMW. بالإضافة إلى ذلك، كانت مقاومة التآكل لمركب SnS/SnS₂/SnO₂/CF أفضل من تلك الخاصة بالفولاذ العاري وطلاءات الإيبوكسي النقية، كما يتضح من قيم جهد الدائرة المفتوحة (OCP) الأعلى وأشعة القوس السعوية في الاختبارات الكهروكيميائية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركبات SnS/SnS₂/SnO₂/CF هي مواد واعدة للتطبيقات التي تتطلب امتصاص EMW الفعال وحماية من التآكل.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل طرق التحضير لمواد مركبة متنوعة تشمل ألياف الكربون (CF) ومركبات القصدير (SnO₂ وSnS وSnS₂). تبدأ العملية بتخليق CF من بولي أكريلونيتريل (PAN) من خلال الدوران الكهربائي، تليها سلسلة من المعالجات الحرارية لتحقيق الكربنة. بعد ذلك، يتم دمج SnO₂ مع CF من خلال طريقة هيدروحرارية، وتؤدي التعديلات الإضافية إلى تشكيل مركبات SnS₂/SnO₂/CF وSnS/SnS₂/SnO₂/CF. يتم تحضير المركبات النهائية تحت أجواء ودرجات حرارة محكومة، مما يعزز خصائصها الهيكلية.
تُستخدم تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليل الحراري الوزني (TGA)، لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية للمركبات. يتم تقييم خصائص امتصاص موجات الكهرومغناطيسية (EMW) باستخدام محلل شبكة متجهة، مما يكشف أن مركب SnS/SnS₂/SnO₂/CF يظهر حد أدنى ملحوظ لفقدان الانعكاس (RL) قدره -46.74 ديسيبل عند سمك 2.0 مم، مما يشير إلى قدرات امتصاص EMW فائقة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الاختبارات الكهروكيميائية أن الطلاءات المركبة توفر مقاومة ممتازة للتآكل، مما يؤخر بشكل فعال اختراق الوسائط المسببة للتآكل. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانية المركبات متعددة المكونات المهندسة للتطبيقات التي تتطلب كل من امتصاص EMW الفعال وحماية من التآكل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01527-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39331208
Publication Date: 2024-09-27
Author(s): Zhiqiang Guo et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The research presents the development of SnS/SnS₂/SnO₂/CF one-dimensional (1D) composites through component modulation engineering, aimed at achieving superior electromagnetic wave (EMW) absorption and corrosion resistance. The engineered 1D structure facilitates a conduction network that enhances conduction loss, while the formation of multiple heterogeneous interfaces promotes polarization relaxation and optimizes impedance matching. This results in remarkable EMW absorption performance, with a minimum reflection loss (RL min) of -46.74 dB at a thickness of 2.0 mm and an effective absorption bandwidth (EAB max) of 5.28 GHz at 1.7 mm.
Additionally, electrochemical tests indicate that the SnS/SnS₂/SnO₂/CF composites provide significant corrosion protection by impeding the penetration of corrosive media, thereby delaying corrosion reactions. The findings highlight the potential of modulating material components to achieve high-efficiency EMW absorbers that also exhibit excellent corrosion resistance, paving the way for advancements in the design of multifunctional materials for various applications.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing issue of electromagnetic wave (EMW) pollution, which poses significant risks to human health due to the proliferation of electronic products and wireless communication technologies. To mitigate these effects, the development of advanced EMW absorbing materials is essential, characterized by attributes such as lightweight, thinness, strong absorption capacity, and broad effective absorption bandwidth. Various materials, including expanded graphite, graphene, carbon nanofibers, and conductive polymers, have been explored for their advantageous properties. However, single-component materials often suffer from poor dielectric properties and impedance mismatch, necessitating the design of multi-component composite materials to enhance EMW absorption through improved interface polarization and impedance matching.
In this study, carbon fibers (CF) are combined with semiconductor materials like tin dioxide (SnO₂), tin disulfide (SnS₂), and stannous sulfide (SnS) to create stannide-modified CF composites. These composites leverage the unique structural and electrical properties of the semiconductors to optimize EMW absorption. The fabrication process involves electrostatic spinning and high-temperature calcination to form the CF skeleton, followed by hydrothermal and thermal decomposition methods to achieve a composite with numerous non-uniform interfaces. The resulting SnS/SnS₂/SnO₂/CF composite demonstrates impressive EMW absorption capabilities, achieving a minimum reflection loss of -46.74 dB at a thickness of 2.0 mm and an effective absorption bandwidth of 5.28 GHz at 1.7 mm. Additionally, the composite coatings exhibit long-term corrosion resistance, indicating their potential for application in challenging environments. This work contributes valuable insights into the design of lightweight, efficient EMW absorbers suitable for diverse applications.
Methods
In the experimental section of the study, a variety of materials were utilized, including Tin (II) chloride dihydrate ($\text{SnCl}_2 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$), Trisodium citrate dihydrate ($\text{Na}_3\text{C}_6\text{H}_5\text{O}_7 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$), thioacetamide (TAA, $\text{C}_2\text{H}_5\text{NS}$), acetic acid ($\text{CH}_3\text{COOH}$), N,N-dimethylformamide (DMF, 99%), polyacrylonitrile (PAN, molecular weight $M_w = 150,000$), and anhydrous ethanol ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$, AR). All chemicals were of analytical grade and were employed directly without any further purification, ensuring the integrity and reliability of the experimental results. Deionized water was also used in the procedures, highlighting the emphasis on maintaining high purity standards throughout the experiments.
Results
The results of the study on SnS/SnS₂/SnO₂/CF composites reveal a successful synthesis and characterization of the materials through various methods, including hydrothermal processes and thermal reduction. The X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the presence of distinct crystal planes for SnO₂, SnS₂, and SnS, indicating the formation of a multi-component composite structure. The Raman spectroscopy results showed a high degree of graphitization in the carbon fiber (CF) skeleton, which enhances electron transfer and electromagnetic wave (EMW) absorption capabilities. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis indicated the presence of sulfur vacancies and distinct chemical states of Sn, O, C, and S, which contribute to the electronic properties of the composites.
The electromagnetic properties of the composites were evaluated, showing that SnS/SnS₂/SnO₂/CF exhibited superior dielectric loss capabilities and impedance matching, with a minimum reflection loss (RL) of -46.74 dB at a thickness of 2.0 mm and an effective absorption bandwidth (EAB) of 5.28 GHz. The study highlighted the importance of heterogeneous interfaces and polarization relaxation processes in enhancing EMW absorption. Additionally, the corrosion resistance of the SnS/SnS₂/SnO₂/CF composite was superior to that of bare steel and pure epoxy coatings, as evidenced by higher open circuit potential (OCP) values and capacitive arc radii in electrochemical tests. Overall, the findings suggest that the SnS/SnS₂/SnO₂/CF composites are promising materials for applications requiring effective EMW absorption and corrosion protection.
Discussion
In this section, the preparation methods for various composite materials involving carbon fiber (CF) and tin compounds (SnO₂, SnS, and SnS₂) are detailed. The process begins with the synthesis of CF from polyacrylonitrile (PAN) through electrospinning, followed by a series of thermal treatments to achieve carbonization. Subsequently, SnO₂ is integrated with CF through a hydrothermal method, and further modifications lead to the formation of SnS₂/SnO₂/CF and SnS/SnS₂/SnO₂/CF composites. The final composites are prepared under controlled atmospheres and temperatures, enhancing their structural properties.
Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analysis (TGA), are employed to analyze the structural and morphological features of the composites. The electromagnetic wave (EMW) absorption characteristics are assessed using a vector network analyzer, revealing that the SnS/SnS₂/SnO₂/CF composite exhibits a remarkable minimum reflection loss (RL) of -46.74 dB at a thickness of 2.0 mm, indicating superior EMW absorption capabilities. Additionally, electrochemical tests demonstrate that the composite coatings provide excellent corrosion resistance, effectively delaying the penetration of corrosive media. This research highlights the potential of engineered multi-component composites for applications requiring both effective EMW absorption and corrosion protection.