二维吸波材料的微结构设计及电磁特性研究

发布时间：2020-10-09 16:28

　　随着通信和电子设备的快速发展,电磁污染日益加剧,电磁波防护材料受到越来越多的关注,无论微波吸收材料还是电磁屏蔽材料都在追求强的电磁波吸收能力。而随着电子设备对便携性和使用环境要求的提高,电磁材料仅实现强吸收已经不能满足需求,轻质、柔性、耐高温等多功能复合成为新型电磁材料的发展方向。单原子或少原子层厚度的二维材料具有独特的二维结构、大的比表面积和表面修饰空间,为电磁材料的界面设计和性能优化奠定了基础。还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)和二维过渡族金属碳化物(MXene)具有相似的二维层状结构,其表面均含有大量的官能团和本征缺陷,且电导率均较高,这些特性为其活性表面的修饰和电磁波衰减能力的优化提供了设计空间。本文通过对RGO和MXene进行表面改性和微结构设计(核壳结构、分级结构、叠层结构和定向分层结构),构建了吸波剂的多维异质界面,研究了晶格缺陷、多尺度界面和孔结构对材料介电性质和电磁波衰减的作用机制。所制备的介电型吸波材料分别在X(8.2~12.4GHz)和Ku(12.4~18GHz)波段实现了90%的入射电磁波在全波段被吸收。主要研究内容和结果如下:(1)研究了核壳型空心微球的微结构设计和电磁波吸收性能优化,以及核壳结构对电磁波衰减的作用机制。结果表明,通过静电吸附实现了氧化石墨烯在ZnO空心微球表面的包覆,这一ZnO@RGO微球的核壳结构解决了石墨烯材料容易堆叠团聚的缺点,增加了异质界面,优化了材料的阻抗匹配特性,而空心结构增加了入射电磁波的多重散射,从而提高了材料的电磁波衰减能力。同时,吸波剂的密度得以降低。ZnO@RGO空心微球的最小反射系数达-45.05dB(99.99%的入射电磁波被吸收),有效吸收带宽达3.3GHz。(2)研究了多维分级结构的设计和电磁波吸收性能优化,以及晶格缺陷和多尺度异质界面对电磁波衰减的作用机制。结果表明,在三维柔性RGO气凝胶中原位自生一维SiC纳米线提高了气凝胶的热稳定性,保持了材料的柔韧性,构建了多维度的导电网络结构,增加了RGO的表面缺陷,形成了RGO和SiC纳米线相互桥接的异质界面。这一分级结构增强了材料的极化弛豫行为,提高了材料的介电损耗能力,使得RGO/SiC纳米线气凝胶在X波段实现全频有效吸收的同时,将材料厚度降低22%。以RGO/SiC纳米线三维泡沫为基础,混合聚合物转化陶瓷前驱体和氧化石墨烯,通过裂解和烧结过程,制备了RGO/SiOC复相陶瓷,并研究了其在高温环境下的电磁性能和介电损耗机理。结果表明,氧化石墨烯的加入降低了SiC纳米线在SiOC陶瓷中的析晶温度,在SiOC陶瓷基体中构建了RGO/SiC纳米线的三维分级结构。相互桥接的SiC纳米线和还原氧化石墨烯提高了SiOC陶瓷的电磁波吸收性能。其在常温时的最小反射系数达-69.3dB(99.9999%的电磁波被吸收)。在高温环境(673K)下,GO的添加量仅为2wt%时,即在X波段实现了93%的电磁波有效吸收。(3)研究了MXene层状结构的设计和电磁波吸收性能的优化,以及叠层结构对电磁波吸收的作用机制。通过刻蚀MAX相(Ti_3AlC_2)的中间Al层制备了多层MXene(Ti_3C_2T_x),分别在氩气和二氧化碳气氛中对MXene进行热处理。结果表明,和MAX相相比,多层MXene的介电损耗能力大幅提高。在氩气气氛中热处理后,MXene的表面基团会与Ti层发生反应,在局部形成TiO_2-C-Ti_3C_2T_x的三明治结构,这一结构进一步提高了MXene的介电损耗能力。在二氧化碳气氛中热处理,MXene中的碳层被完全剥离出来,形成取向排列的二维碳层和TiO_2颗粒相间分布的叠层结构。独特的叠层取向结构大幅提高了碳层二维表面的利用率,构建了异质界面,增强了材料的电磁波衰减能力,实现了在Ku波段的全频有效吸收。(4)研究了取向分布的MXene(Ti_3C_2T_x和Ti_2CT_x)气凝胶的制备和电磁屏蔽性能,以及层状多孔结构对电磁波吸收和反射的作用机制。通过湿化学刻蚀工艺制备了少层MXene,并用双向冷冻干燥工艺制备了长程有序、取向分布的MXene气凝胶。结果表明,层状结构使MXene气凝胶具备了良好的压缩循环特性。MXene的本征缺陷、表面基团以及气凝胶的层状多孔结构使得气凝胶表现了以吸收为主的电磁屏蔽性能。Ti_2CT_x气凝胶的屏蔽效能达73.7dB,其中吸收屏蔽效能达64dB。对MXene气凝胶进行压缩,可降低其电阻和电导率,并提高气凝胶对入射电磁波的反射能力。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

示意图,模型原理,示意图,吸波体

r —— 电磁波频率/Hz； —— 吸波体厚度/m； —— 真空中光速，3×108m/s。公式 1-1 可见，当吸波体和自由空间的波阻抗相匹配，即 Zin=Z0时，反射实现电磁波零反射。由公式 1-2 可知，若使得 Z=1，即 Zin=Z0时，必须使吸= r。这一条件是难以实现的，因此吸波材料的设计只能尽可能缩小吸波体和波阻抗失配。一种降低电磁波反射的方法是干涉相消。该方法是在吸波体底部覆盖一层金材料内部的电磁波经过金属板的反射之后，与空气和吸波体界面处的电磁波当两部分电磁波相位相反，大小相等时实现消波。目前绝大多数吸波材料设基础的。单层吸波体的金属背板（Salisbury）模型如图 1-1 所示[1]。在某一频波体厚度满足公式 1-3 时，金属背板反射的电磁波与空气和吸波体界面处的 n/2 个相位（n 为奇数），这两部分电磁波干涉相消，从而实现电磁波的衰减d=n / 4 / 4 1,3,5... r r nc f n

对比图,试样厚度,介电常数,和频率

2E M E M tan = ' 'E (1tan " 'M (1式中 tanE为介电损耗正切，tanE为磁损耗正切。当吸波体为非磁性材料时，tanE减因子越大，表示材料对电磁波的衰减能力越强。由式 1-5 可见，衰减因子是介电和磁导率相关的函数，当介电损耗正切值和磁损耗值越大时，衰减因子越大。而过损耗角正切值将导致吸波体和自由空间的波阻抗匹配变差，从而增加电磁波的反效吸收带宽变窄，降低材料的电磁波吸收能力。根据公式 1-3 和 1-5 可知，在优化非磁性材料电磁损耗能力时，有介电常数实部部、试样厚度和频率四个变量。这里设定吸波体实现有效吸收（RC<-10dB）为前提定某一频率（9 和 11GHz）和试样厚度（1.5~3mm）计算了材料的介电常数，如图示。对比图 1-2（a）和（b）可知，在试样较厚时，材料的介电常数在不同频率差别，容易实现宽频吸收。而在试样较薄时，材料的介电常数在不同频率落差很大。例厚度为 1.5mm 时，9GHz 处有效吸收对应的介电常数实部和虚部约为 30 和 8，而GHz 处分别约为 20 和 6。这大大增加了薄吸波体的设计难度。另外，若在更低的

极化机制,频率响应,介电常数

损耗入射到介电材料时，首先遇到的微观机制是介质的极化。极化极化、空间电荷（界面）极化、原子极化和电子极化等极化机制极化机制都有“界限频率”，不同的介电材料有不同的响应频率常出现在高频范围，如红外和可见光区间，但是其响应幅度较部和虚部影响较小。界面极化通常出现在低频区间（MHz），移受阻，成为束缚电荷，从而在界面处聚集。电荷聚集引起的常数实部。取向极化，又称偶极子极化，是微波波段（GHz）磁场的情况下，偶极子乱序分布，在施加电磁场后，偶极子将随电磁场的变化而变化。偶极子极化通常伴随着弛豫过程，这和虚部均将产生影响。在频率低于弛豫频率时，偶极子的变化。随着频率的升高，偶极子的转动跟不上交变电磁场的变化，常数虚部仍在提高，但是实部开始下降。在高于弛豫频率后，能影响偶极子的转动，从而实部和虚部均下降。因此，一个典常数实部下降而虚部升高的过程，如图 1-3 所示。

【相似文献】