高性能碳基电磁屏蔽及吸波材料的研究

发布时间：2020-11-08 08:36

　　 电磁屏蔽材料、吸波材料主要用于衰减或吸收电磁波,消除其对电子元器件、人体、环境产生的干扰或伤害。碳材料,包括炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等,具有低密度、高电导率、高柔性、易成形加工等优点,弥补了金属材料密度大、易腐蚀以及铁氧体材料填充量大、机械性能大等缺点,可以应用于电磁屏蔽材料和吸波材料领域。然而,相比于传统的高导电金属材料,碳材料的电导率偏低;相比于磁性铁氧体材料,碳材料不具有磁性,其阻抗匹配性能较差。因此,碳材料的电磁屏蔽和吸波性能仍有较大的提升空间。针对如何提高碳材料电磁屏蔽和微波吸收性能这一问题,我们提出系列高性能碳基电磁屏蔽和吸波材料的设计思路,发现了膨胀增强效应,并制备了一系列高性能碳基多孔电磁屏蔽和吸波材料。本文的主要研究内容分为以下四个部分:1、提出了具有平行多层结构的石墨烯气凝胶膜的制备技术,并探索了其电磁屏蔽性能。研究发现,石墨烯气凝胶膜(GAF)的电磁屏蔽性能与膨胀程度呈现显著的正相关关系,由此我们发现了电磁屏蔽的膨胀增强效应,即在多层结构中厚度方向的膨胀可以显著地增强材料的屏蔽效能。并结合电磁学理论揭示了膨胀增强效应的原理。因此,具有高电导率、高膨胀率的石墨烯气凝胶膜展示出了优异的屏蔽性能。面密度为8.4 mg cm-2,厚度为1.4 mm的气凝胶膜在0.1-3 GHz的屏蔽效能达到～135 dB。以单位面密度的屏蔽效能(TASSE)作为参考指标,GAF达到100,000 dB cm2 g-1,在所有碳材料中处于最优行列。该膨胀增强效应的发现为高性能电磁屏蔽材料的设计提出了新的思路,以期启发之后电磁屏蔽材料的研究。2、利用具有通直孔道结构的杉木制备了具有通直孔道结构的生物质热解碳(PBPC)。考察并讨论了热解温度(660、670、680、690、700、720℃)对生物质热解碳的导电率及吸波性能的影响。研究发现,热解温度为680或690 ℃时生物质热解碳最好地平衡了阻抗匹配和损耗能力,展示出最优的吸波性能。680 ℃的生物质热解碳在厚度为4.28mm时最大吸收达到-68.3 dB,有效吸收带宽达到6.1 GHz(8.2-14.3 GHz);3.73 mm厚的690℃生物质热解碳的有效吸收带宽达到7.6 GHz(9.8-17.4 GHz)。3、制备了具有片状结构单元的多孔石墨烯气凝胶(GA)。通过控制初始GO溶液的浓度(0.5,1,3,7 mg ml-1),实现了具有不同石墨烯含量的GA的制备。进一步吸波实验研究发现,GO溶液初始浓度为1 mg ml-1制备的GA-1最好地平衡了阻抗匹配和损耗能力,具有最优的吸波性能。厚度为3 mm的GA-1具有-26.1 dB的最大吸收;厚度为4mm的GA-1的有效吸收带宽达到7.2 GHz(8.1-15.3 GHz)。此外,得益于其远低于其它用于吸波的石墨烯气凝胶材料的极低密度(0.68 mgcm-3),GA-1表现出超高的物质效率。4、实现了具有两个独立网络结构的双连续复合泡沫(BCCF)吸波材料的制备。研究结果表明石墨烯填充量以及微观结构对材料的吸波性能都具有重要的影响。以大片石墨烯制备的双连续泡沫具有片状结构单元的边支撑结构,可以在较低的石墨烯含量下实现优异的吸波性能。石墨烯含量为3.40 mg cm-3,厚度为4 mm的双连续泡沫的最大吸收达到-34.8 dB,EAB达到9.0 GHz(9.0-18 GHz),在所有碳基吸波材料中处于最优行列。此外,双连续泡沫具有高强度(～80 KPa)、高断裂伸长率(22.2%)、高弹性等优点,且展示出了超低的导电渗滤阈值(0.006 vol%)和吸油性能(60倍吸收),是一种易生产、低成本、高性能的多功能材料。总之,本文以高性能的电磁屏蔽或吸波为目标,制备了具有不同孔状结构的碳基材料,包括石墨烯气凝胶膜、生物质热解碳、石墨烯气凝胶、双连续石墨烯复合泡沫。我们系统地研究了不同结构的电磁屏蔽性能或吸波性能,指出了影响电磁屏蔽性能或吸波性能的结构因素和参数优化方法,为新型电磁屏蔽材料和吸波材料的设计起到了重要的推动作用。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 电磁屏蔽材料和微波吸收材料研究的重要意义
    1.2 电磁学基本理论
        1.2.1 微波与电磁学理论
        1.2.2 电磁波的反射与损耗机制
            1.2.2.1 电磁波的界面反射与阻抗匹配
            1.2.2.2 电磁波在物质内部的衰减
            1.2.2.3 电磁波的介电损耗和磁损耗
            1.2.2.4 薄层材料的反射损耗与屏蔽效能
    1.3 碳基电磁屏蔽和吸波材料的研究现状
        1.3.1 碳膜材料
        1.3.2 碳泡沫材料
            1.3.2.1 碳气凝胶
            1.3.2.2 碳/海绵复合泡沫
            1.3.2.3 聚合物热解泡沫
        1.3.3 碳/聚合物复合材料
    1.4 选题依据和论文框架
        1.4.1 选题依据
        1.4.2 论文框架
第二章 实验试剂、仪器及表征
    2.1 实验试剂
    2.2 实验仪器
    2.3 电磁干扰性能测试
        2.3.1 吸波性能测试
        2.3.2 电磁屏蔽性能测试
第三章 石墨烯气凝胶膜的屏蔽性能和膨胀增强效应
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 石墨烯气凝胶膜的制备
        3.2.2 仪器表征
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 石墨烯气凝胶膜的微纳结构
        3.3.2 石墨烯气凝胶膜元素组成和分子结构
        3.3.3 石墨烯气凝胶膜的电磁屏蔽性能
    3.4 电磁屏蔽的膨胀增强效应
        3.4.1 膨胀增强效应的机理
        3.4.2 实验数据拟合
        3.4.3 石墨烯气凝胶膜屏蔽性能和屏蔽材料设计的讨论
    3.5 本章小结
第四章 通直孔道结构生物质热解碳的吸波性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 多孔生物质碳的制备
        4.2.2 仪器表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 多孔生物质碳的宏观和微观形貌
        4.3.2 多孔生物质碳热处理过程中的化学变化
        4.3.3 不同温度处理的多孔生物质碳的元素组成和分子结构
        4.3.4 多孔生物质碳的电导率
        4.3.5 多孔生物质碳的介电常数和吸波性能
    4.4 吸波性能优化的讨论
    4.5 本章小结
第五章 石墨烯气凝胶的吸波性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 石墨烯气凝胶的制备
        5.2.2 仪器表征
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 石墨烯气凝胶的微观形貌
        5.3.2 氧化石墨烯气凝胶和石墨烯气凝胶的分子结构表征
        5.3.3 石墨烯气凝胶的介电常数和吸波性能
    5.4 本章小结
第六章 高强度多功能石墨烯双连续泡沫的研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 双连续泡沫的制备
        6.2.2 仪器表征
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 双连续泡沫的微观结构
        6.3.2 双连续泡沫的导电性和渗流阈值
        6.3.3 双连续泡沫的力学性能
        6.3.4 双连续泡沫的介电常数和吸波性能
        6.3.5 双连续泡沫的吸油性能
    6.4 本章小结
第七章 全文总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 本文的创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文
作者简介

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本文编号：2874539