[发明专利]一种碳材料的设计方法

说明书

本发明公开一种碳材料的设计方法。本发明利用密度泛函的第一性原理计算，设计碳材料的微观模型并预测不同改性方式后得到的材料的吸波性能，再通过参数的修改，调整碳材料的微观模型，得到最优化结构，将最优化结构计算得到的吸波性能与理论值范围进行比对，最终确定碳材料的结构。该设计方法有效地降低实验量，并且筛选了最优化结构，并计算吸波曲线，符合应用要求，验证了该设计方法的可行性。本发明仅需要计算机的计算便可以预估实验过程，既避免了实验材料的浪费，还可以节约实验周期。

技术领域

本发明涉及吸波材料设计领域。更具体地，涉及一种碳材料的设计方法。

背景技术

随着5G、6G时代的到来，电子设备的精度要求越来越高。因而，微弱的电磁干扰也可能会导致仪器的失灵。因此，为了减少电磁辐射，研究学者们研制了大量的吸波材料，包括磁性材料、介电材料和碳材料。而且，随着移动通讯的普及，在倡导高效吸波性能的同时，也对吸波材料的密度提出了更高的要求。

以导电损耗为主的高石墨化碳材料，作为吸收剂来说，具有绿色、环保、成本低廉、可量产等优势。同时，与其它微波吸收剂相比，碳纳米管(CNTs)、碳纤维(CF)、石墨和石墨烯等碳材料可以在各种复杂条件下同时显示出较低填充量、更薄厚度和良好稳定性的优点。然而，阻抗失配以及碳材料有限的损耗机制限制了其应用。例如，单一的石墨烯表现出较差的吸波性能。因此，需要对碳材料进行改性。经过数十年的研究和探索，取得一些成果。例如，可以通过异种原子掺杂实现宽频的介电弛豫现象。但是对于如何最大限度开发和利用碳材料的优势缺乏指导方向。因此，如何通过设计碳材料的微观结构或者化学构成来有效诱导介电行为的研究仍是一个巨大的挑战。

众所周知，基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算在材料设计中起着非常重要的作用。除了电子态密度和带隙外，DFT还可以预测长波极限下(f＝0GHz)的静态介电常数(ε(0))，这是确定介电特性的主要因素。在以往的研究中，大部分研究者往往都是先实验，之后再分析相应的吸波机理，并缺乏微观结构与吸波性能之间联系的关注。

因此，采用第一性原理计算并预测符合应用要求的碳材料，对于缩短研究周期，节约实验费用方面具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳材料的设计方法。

为达到上述目的，本发明提供一种碳材料的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据应用场景的吸波要求，计算目标碳材料的介电常数理论值范围；

S2、构建碳材料的微观模型；

S3、对所述碳材料的微观模型的吸波性能进行计算；

S4、对计算结果进行分析与处理。

进一步，所述步骤S1具体为：

S11、确定具体应用场景的吸波性能指标RL；

S12、利用电磁波传输线公式1和电磁波传输线公式2反推目标碳材料的相对复介电常数ε_r理论值范围；

其中，所述电磁波传输线公式1为：所述电磁波传输线公式2为：

在电磁波传输线公式1和电磁波传输线公式2中，RL为反射率损耗，代表吸波性能指标；Z_in为介质波阻抗；f为入射电磁波频率；d为吸波材料厚度；c为光速，单位m·s^-1；ε_r为吸波材料的相对复介电常数；μ_r为吸波材料的相对磁导率。

进一步，所述步骤S2具体为：

S21、利用vesta软件构建碳材料微观晶体模型；

S22、借助所述vesta软件，将碳材料微观晶体模型转换为三维原子坐标文件。