石墨烯—导电聚合物—磁性纳米粒子复合材料的制备及微波吸收性能的研究

发布时间：2019-02-21 12:55

【摘要】：随着电子技术的不断发展,电磁波辐射产生的危害越来越明显。电磁波辐射不仅影响电子器件的正常运行,产生环境污染,还对人类健康造成一定的危害。电磁波吸收材料(吸波材料)可有效地吸收电磁能,并将其转化为热能而消耗,因而使其在军事或民用中都得到广泛的应用。石墨烯具有比表面积大、密度低、导电性好、耐高温和抗氧化能力强等特点,因此可作为吸波材料使用。然而,研究发现,单一石墨烯具有较高的介电损耗,磁性较小,因此吸波性能并不理想。将石墨烯与磁性吸收剂复合,通过改善其阻抗匹配可有效提高石墨烯的吸波性能。目前,对于石墨烯基吸波材料的研究主要集中于二元复合,而对于石墨烯基三元复合材料吸波性能的研究报道较少。为制备吸波性能优异的新型材料,本文将石墨烯、导电聚合物和磁性纳米粒子进行复合,构筑新型三元复合材料,使其兼具磁损耗与介电损耗,并对三元复合材料的吸波性能进行了研究。研究内容如下:(1)采用三步法分别制备了石墨烯-聚苯胺-Co3O4、石墨烯-聚吡咯-Co3O4和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩-Co3O4三元复合材料。先在氧化石墨表面利用原位聚合法包覆一层导电聚合物;其次,通过水热法在其表面均匀附着Co3O4纳米粒子;最后,利用水合肼将氧化石墨还原。吸波性能研究表明,相对于石墨烯-聚苯胺、石墨烯-聚吡咯和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩二元复合材料而言,加入Co3O4纳米粒子后,三元复合材料的吸波强度和频带宽度均有所增加。在2-18 GHz范围内,三种复合材料吸波最大值分别为-44.5dB、-43.5 dB和-46.5 dB,-10 dB以下的频带宽度分别为4.3 GHz、6.4 GHz和2.1 GHz,该三元复合材料可作为一种新型的吸波材料使用。(2)将原位聚合法与共沉淀法相结合,采用两步法分别制备了石墨烯-聚苯胺-Fe_3O_4、石墨烯-聚吡咯-Fe_3O_4和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩-Fe_3O_4三元复合材料。电磁参数研究表明,石墨烯-聚苯胺-Fe_3O_4、石墨烯-聚吡咯-Fe_3O_4和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩-Fe_3O_4三元复合材料的介电损耗和磁损耗之间的阻抗匹配得到调节,且多级界面产生的界面极化以及Fe_3O_4纳米粒子产生的偶极极化和电子极化均对复合材料的吸波性能产生影响。在2-18 GHz范围内,三种复合材料吸波最大值分别为-43.9 dB、-56.9 dB和-56.3 dB,-10 dB以下的频带宽度分别为3.4 GHz、2.7 GHz和2.9 GHz,对应的厚度分别为2.5 mm,5.3 mm和2.9 mm。(3)将原位聚合法与水热法相结合,利用两步法分别制备了石墨烯-聚苯胺-NiFe_2O_4、石墨烯-聚吡咯-NiFe_2O_4和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩-NiFe_2O_4三元复合材料。水热法中碱性溶液不仅促使NiFe_2O_4纳米粒子的生成,同时还可作为还原剂直接将氧化石墨还原。研究表明,粒径在5-20 nm之间的NiFe_2O_4粒子出现部分团聚现象,由于NiFe_2O_4粒子的存在,三元复合材料均具有超顺磁性。电磁参数研究表明,将导电聚合物和NiFe_2O_4纳米粒子同时加入石墨烯中,复合材料的阻抗匹配得到调节,且多元界面产生的界面极化以及电子在石墨烯和导电聚合物之间的传递均对复合材料的吸波性能产生影响。在2-18 GHz范围内,三种复合材料吸波最大值分别为-50.6 dB、-44.8 dB和-45.4 dB,-10 dB以下的频带宽度分别为5.5 GHz、4.5 GHz和4.8 GHz。4.利用原位聚合法和水热法分别制备了石墨烯-聚苯胺-Co Fe_2O_4、石墨烯-聚吡咯-Co Fe_2O_4和石墨烯-聚3,4乙烯二氧噻吩-Co Fe_2O_4三元复合材料。研究表明,Co Fe_2O_4纳米粒子的存在使三元复合材料具有铁磁性。三种复合材料在2-18 GHz范围内吸波最大值分别为-39.7 dB、-50.8 dB和-43.1 dB,-10 dB以下的频带宽度分别为4.8 GHz、4.3 GHz和2.7 GHz,其优异的吸波性能主要与改善的阻抗匹配、增强的界面极化以及Co Fe_2O_4粒子的电子极化有关。5.以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,采用两步法制备了不同形貌的石墨烯-NiFe_2O_4-CuS纳米片复合材料。研究表明,NiFe_2O_4纳米粒子的存在使石墨烯-NiFe_2O_4-CuS纳米片具有超顺磁性,而十六烷基三甲基溴化铵的用量对CuS纳米片的形貌有很大影响。石墨烯-NiFe_2O_4-CuS纳米片复合材料的吸波性能优于单一石墨烯和石墨烯-NiFe_2O_4,在厚度为2.5 mm时最大吸收可达-50.4 dB,-10 dB以下的吸收频带宽度为4 GHz(9.6 GHz-13.6 GHz)。其优异的吸波性能与复合材料特殊的三维多孔结构、较大的比表面积和孔容、增强的界面极化以及改善的阻抗匹配有关。
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【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
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本文编号：2427518