轻质石墨烯基复合材料的制备及其吸波和电磁屏蔽性能研究

发布时间：2020-10-18 14:14

　　 随着信息技术的发展和电子设备的普及,“电磁污染”逐渐引起了人们的关注,制备出性能优异电磁屏蔽和吸波材料刻不容缓。目前,人们不再满足于传统的电磁屏蔽和吸波材料,而是对其提出了新的要求,期望材料在拥有好的电磁屏蔽及吸波性能的同时也具备质量轻、厚度薄、环境耐受性好、力学性能优异等优点。2004年单层石墨烯首次被剥离出来,此后引起了国内的外研究人员对石墨烯研究的广泛关注和并掀起了一阵研究热潮。石墨烯材料导电和导热性能优异,杨氏模量高,透光性能好,可广泛应用在电磁屏蔽、吸波、储能、光电等多个领域。单层石墨烯的比表面积可达2600m2g-1,加之碳材料的密度小,石墨烯材料在保证性能优异的同时,能达到质量轻、密度小效果。石墨烯材料在应用的过程中如果大量堆叠团聚,就失去了石墨烯本身比表面积大的优势,同时影响石墨烯的各项性能。因此,人们通过将石墨烯自组装成三维结构,降低片层间的团聚,提高材料的性能。常见的三维石墨烯材料有石墨烯泡沫、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶等,他们能在保证材料的性能优异的同时,使材料更轻,填充量更低,是制备轻质吸波材料的理想选择。二维的石墨烯薄膜同样具备十分轻薄的特点,相比于其他石墨烯材料,它能更好地突出石墨烯单片层的优势。同时石墨烯薄膜导电高、密度小、柔性好,可具备弯曲、折叠的性能,是制备柔性轻质电磁屏蔽材料的理想选择。为了满足人们对于电磁屏蔽和吸波材料的新要求,开发轻质、环境耐受性好、力学性能优异的电磁屏蔽和吸波材料已成为研究焦点。本论文利用石墨烯导电高、环境耐受性好、轻质柔韧等特点,制备轻质石墨烯基电磁屏蔽和吸波材料,具体研究内容如下:1、用改良的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),将SiC纳米纤维与GO复合,利用抗坏血酸的还原性,将负载上SiC纳米纤维的氧化石墨烯还原自组装成三维石墨烯/SiC水凝胶,再通过冷冻干燥制备三维石墨烯/SiC气凝胶。这种材料多孔、超轻,有效的保留了石墨烯的高比表面积,并充分发挥了单层石墨烯的优势,能有效地提高材料对电磁波的多重反射,增加材料的界面极化,是制备超轻吸波材料的理想材料。2、用不同温度热处理三维石墨烯/SiC气凝胶,通过热处理温度的变化调节材料的电导率,从而改变材料的介电常数,使材料能形成良好的阻抗匹配,提高材料的吸波性能。材料厚度为1.15 mm时在15.6 GHz处的反射损耗RL(reflection loss)最小值可达-38.5 dB。材料厚度为0.45 mm时在16.8 GHz处的反射损耗RL(reflection loss)最小值可达-31.3 dB,表现出材料在较低厚度下能达到良好的吸波性能,同时具备优异的环境适应性,具有一定的实用性。3、用硫酸水解微晶纤维素的方法来制备了纤维素纳米晶体(CNC)。将CNC与GO复合抽滤成膜,利用HI的还原性将GO还原,制备石墨烯/CNC薄膜。通过加入CNC,薄膜的力学性能优异,使石墨烯/CNC薄膜成为力学性能优异、质轻、厚度薄、电磁屏蔽性能良好的柔性薄膜。该薄膜在厚度为6 μm时电磁屏蔽性能可以达到～13 dB,比电磁屏蔽性能可达到2167 dB·mm-1。通过调节CNC在薄膜中的浓度来调节材料的力学性能,从而改良薄膜的力学性能和柔性。当CNC的质量分数为5%时,薄膜的力学性能可达76.0 MPa,并具有良好的耐化学性能。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

优异、比电容高、导电率高等优点，有利于制备性能优异的超级电容器［２（）］。??息ｉ＿??图１－３化学还原氧化石墨烯自组装得到石墨烯水凝胶过程［２（）］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?ｐｒｏｐｏｓｅｄ?ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｆｏｒ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｌ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｄｕｒｉｎｇ?ｔｈｅ?ｃｈｅｍｉｃａｌ??ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ＧＯ?ｉｎ?ａｎ?ａｑｕｅｏｕｓ?ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．??水热法则是通过水热的方式将氧化的石墨烯还原成还原氧化石墨烯，同时使之自??４??

ｃ?＿??图１－２?ＣＶＤ方法制备石墨烯泡沫??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ?ｏｆ?ａ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｆｏａｍ［，４Ｊ．??．２．１．２自组装法??自组装法是利用二维的氧化石墨片层自组装形成三维石墨烯网络结构，常见的自??装方法有水热法、化学还原法和冷冻干燥法。??化学还原法是利用还原剂将氧化石墨还原，减少片层表面官能团，从而打破氧化??墨溶液中范德华力与官能团之间的静电排斥力的相互平衡使溶液凝胶化［１９］。Ｃｈｅｎ??等人利用多种还原剂例如：ＮａＨＳＣｂ、Ｎａ２Ｓ、维Ｃ、ＨＩ、对苯二酚在９５?°Ｃ下将氧??石墨烯溶液还原自组装成三维石墨烯材料，该材料密度低、力学性能好、热稳定性??异、比电容高、导电率高等优点，有利于制备性能优异的超级电容器［２（）］。??

当去离子水滴加完毕，再将反应温度迅速升温至９５?°Ｃ，保持该温度反应１５?ｍｉｎ。??（２）用过量的过氧化氢溶液去除氧化石墨中多余的ＫＭｎ〇４，再用ＨＣ１溶液和去??离子水分别洗涤两次。将洗涤过的氧化石墨溶液离心，当上层清液的ｐＨ＝７时即可。??２．２．３．２三维石墨烯／ＳｉＣ气凝胶的制备??制备三维石墨烯／ＳｉＣ气凝胶的步骤如下，如图２－１所示：??（１）将４００ｍｇＳｉＣ纳米线分散在２００ｍＬ，４ｍｇ／ｍＬ的氧化石墨溶液中，然后加??入抗坏血酸（１：１，ｗｔ％）。将混合溶均质０．５?ｈ，然后再超声０．５?ｈ。将溶液倒入大小合??适的容器中密封放入烘箱，在６５?°Ｃ下反应３?ｈ，制备出三维石墨烯／ＳｉＣ水凝胶。??（２）将石墨烯／ＳｉＣ水凝胶用去离子水洗涤，去除小分子杂质。洗涤过后用液氮??对水凝胶进行定向冷冻处理，待水凝胶中的水全部结冰后，再放入冷冻干燥机里冷冻??干燥，除去凝胶中的冰并保持凝胶的形态。??（３）根据实验设计，将制备好的石墨烯／ＳｉＣ气凝胶分别在９００?°Ｃ、１２００?°Ｃ、??１５００°Ｃ和１８００°Ｃ下，在Ａｒ２气氛中热处理２ｈ。制备出的气凝胶，表示为ｒＧＯ／ＳｉＣ－ｘ?（ｘ??代表热处理温度，其值为９００、１２００、１５００和１８００）。??
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 周克省,黄可龙,孔德明,李志光;吸波材料的物理机制及其设计[J];中南工业大学学报(自然科学版);2001年06期

本文编号：2846403