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探讨碳纳米管薄膜氢等离子体的微波衰减特性

作者:2015-07-25 10:09文章来源:未知

  0 引言

  近年来,含碳纳米管材料的制备及其对电磁波的吸收性能已成为材料科学领域研究的热点之一. 研究表明: 碳纳米管较大的比表面积、特殊的管道结构及高压和低温均有利于氢气在碳纳米管中的凝聚吸附. 铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管薄膜中的氢气在微波辐射下,部分被电离,形成等离子体,对微波产生强烈的吸收,且伴随着剧烈的热能释放. Baldwin通过散射实验,对氢等离子体的热效应和朗道阻尼进行了微观分析,证明氢等离子体具有耗散介电性质.基于氢等离子体具有耗散介电性质,本文提出了铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管薄膜氢等离子体中自由电子密度的线性分布模型、在考虑了电子碰撞对微波衰减吸收的基础上,数值模拟了单壁碳纳米管薄膜非磁化氢等离子体的微波吸收特性.

  1 理论模型

  碳纳米管具有良好的吸附储氢性能,铁催化高压歧化过程为碳纳米管吸附氢气提供了有利条件. 在微波作用下,其高频电磁场能使气体激发而产生等离子体. 由于离子、中性粒子和碳纳米管分子质量远大于电子,仅考虑电子间碰撞时,碳纳米管薄膜氢等离子体的相对介电常数为εr = 1 - ω2pω2 + ν2e- j υeωω2pω2 + ν2e, ( 1)式( 1) 中,ωp = nee2槡ε0me为等离子体频率,me 、e和ne分别为自由电子的质量、电量和密度,ε0是真空中的介电常数,ω = 2πν 为入射电磁波角频率,νe为电子有效碰撞频率,可由统计理论推算,实际应用时可取经验值,对于非磁化等离子体,νe一般在109 Hz ~ 1011 Hz 之间.

  设含氢等离子体的铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管薄膜厚度为d ,微波垂直入射碳纳米管薄膜,方向为z 轴,ne延z 轴线性分布,其分布函数为ne = ne0 + nemax - ne0d z ( 0 < z < d) , ( 2)式( 2) 中,z = 0 处电子数密度为ne0,在z = d 处电子数密度为nemax,ne数量级一般在1017 m- 3 ~1019 m- 3之间,考虑到单壁碳纳米管对氢气的吸附量以及微波作用后氢形成等离子体的数量和比率,ne在1017 m- 3数量级,取nemax = 3 × 1017 m- 3,ne0 = 2 × 1017 m- 3 .根据电磁波在耗散介质中的传播规律,微波在碳纳米管氢等离子体中的色散关系为k = k0 槡εr = kr + jkj, ( 3)式中k0 = ω0 /c 是真空中的波数,kr 、kj分别是k的实部和虚部,由于碰撞效应,虚部kj反映随着波在氢等离子体中的传输其幅度会不断地衰减.由式( 1) 、式( 2) 两式可得kj = k0 rsin( φ/2), ( 4)r = 1 - ω2pω2 + ν2e2 - ω2pω 214φ =φ0φ0 + { πRe( εr > 0)Re( εr < ) } 0, ( 5)φ0 = arctg - νeω2pω( ω2 + νe - ω2 ) p, ( 6)在无源耗散介质中沿Z 轴方向传播的电磁波的横向电场传播方程为d2E( z)dx2 + k2E( z) = 0, ( 7)当1k2dkdz 1 时,则电场的W. K. B 解为E( z) = E0exp( - j ∫z0kdz') , ( 8)则入射微波在d = 1 cm 厚的单壁碳纳米管氢等离子体中的能量衰减系数为Att = 10lg P( z)P 0= 10lg E2 ( z)E 20= 20( lge) kj =40(lge) πνc 1 - e2nez(ν2 +ν2e)ε0me2 - e2ε0menezν 214sin(φ2).( 9)

  2 数值计算与分析

  当ve = 22. 0 GHz,ne0 < ne < nemax时,在微波段0 ~ 30 GHz 内单壁碳纳米管薄膜氢等离子体中的能量衰减情况如图1 所示. ne从2 × 1017 m - 3增加到3 × 1017 m - 3时,衰减吸收峰值从29. 9 dB /cm增加到32. 87 dB /cm; 当ν 一定时,随着ne线性增加,Attmax增大,吸收峰向高频方向移动,且其吸收峰值缓慢变大. 由图1 知,单壁碳纳米管薄膜氢等离子体对3-4 GHz 频段的微波产生强烈吸收.图2 是ne = 2. 181 × 1017 m-3,νe取15 ~25 GHz时,在微波段0 ~ 30 GHz 的吸收衰减情况. 当νe从15 GHz增加到25 GHz 时,最大衰减Attmax从34. 56 dB/cm减少至28. 80 dB/cm,且随着电子碰撞有效频率的增加,吸收峰向低频方向做缓慢移动.

  3 结果与讨论

  本文构建了铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管薄膜氢等离子体中自由电子密度的线性分布模型. 数值模拟结果表明,随着单壁碳纳米管薄膜氢等离子体中ne的线性增加,kj增加,Attmax增加,吸收峰向高频方向移动; 随着νe增加,kj减少,Attmax减小,吸收峰缓慢地向低频方向移动. 理论研究发现,铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管薄膜中氢等离子体对3 ~4 GHz 的微波产生强烈吸收.

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