基于三维石墨烯的可拉伸太赫兹吸波材料
发布时间：2021-09-17 09:21
通过将三维石墨烯材料与聚二甲基硅氧烷薄膜相结合,设计并研制了一种宽带可拉伸的太赫兹波吸收材料,设计结构可以使三维石墨烯在聚二甲基硅氧烷层的保护下实现大幅度拉伸。实验结果表明,该吸波材料在0.2～1.1 THz的测试范围内有最高90%的吸收率,同时在20%的拉伸量下复合结构对太赫兹波吸收率基本保持不变,并且在去掉外力时材料样品的结构和性能均可恢复至原始状态。可拉伸太赫兹吸波材料具有带宽大、吸收率高、加工简单以及可大面积制备等优点,在太赫兹吸收器等领域中具有潜在的应用价值。
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
三维石墨烯的测试曲线
墨烯对太赫兹波的高吸收性和PDMS的柔性可拉伸性，设计并制作了一种“三明治”结构的可拉伸太赫兹吸波结构材料。该材料不仅可以实现在0.2~1.1THz频段内最高90%的太赫兹波吸收率，同时，在20%的一维拉伸量下吸收率可以维持85~90%，且拉伸完成可恢复其结构和吸收性能。这种新型可拉伸和可弯曲的宽带太赫兹波吸收材料在太赫兹非平面应用表面及可穿戴领域有着重要的意义，同时也为研制可拉伸太赫兹器件提供了新思路。Fig.4(a)stretchingdiagramofthe“sandwich"structure;(b)photographofthe"sandwich"structure图4(a)“三明治”结构拉伸示意图；(b)拉伸实物图(b)10nm3Dgraphene(a)PDMS?????20%???0.20.40.60.81.020151050f/THztransmitance/%Fig.6Transmittancecurvesof"sandwich"structurebeforeandafterstretching图6“三明治”结构在拉伸前后的透射率变化曲线beforetensiontensionof20%aftertensionf/THz(a)00.40.81.21.62.0010203040506070amplitude/(a.u.)100806040200absorption/%0.20.40.60.81.0f/THz(b)Fig.5(a)frequencydomainspectrumand(b)absorptionspectrumofthecompositeunderdifferenttensilestrengths图5(a)不同拉伸强度下结构的频域谱；(b)不同拉伸强度下结构的吸收谱notensiontensionof5%tensionof10%tensionof15%tensionof20%tensionof40%airnotensiontensionof5%tensionof10%tensionof15%tensionof20%
表征大规模制备三维石墨烯的方法主要有自组装法和模板导向法。本文使用的是模板导向法中的化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)法[22]制备得到三维石墨烯。首先在100mm口径的石英管式炉中使用泡沫镍作为沉积基底，以甲烷作为生长碳源。将泡沫镍放入在管式炉中，通入100sccm氩气和10sccm氢气作为清洗气体，同时将管式炉温度逐渐升高至1000℃。然后通入10sccm甲烷作为生长气体，生长时间为30min，之后关闭甲烷气体，自然降温至室温，生长完成后再用2mol/L的FeCl3溶液刻蚀基底模板即可获得三维石墨烯。如图1所示，制备的三维石墨烯质量非常轻且具有高度疏松多孔结构，在图1(b)的高倍光学显微镜下看到明显的六边形网状，具有高度多孔结构，多层交错且不完全重叠。这些独特的结构能够使入射到三维石墨烯表面上的太赫兹波几乎没有反射地进入材料内部并损耗。三维石墨烯的疏松结构导致材料易碎，在实际应用中存在很大困难，更无法实现有效的拉伸形变。为了解决这一问题，采用具有高弹性的PDMS薄膜增加三维石墨烯的韧性和可拉伸性。实验所用的PDMS为SYLAGARD184型硅橡胶，由美国DowCorningCrop生产，其中包括预凝物和固化剂2种液体，2种液体混合固化后可吸收波长小于300nm的光，表面自由能约为20erg/cm，导热率为0.18W/(m·K)，粘性是3900mPa·s，比重为1.08，玻璃化温度为150K。可以通过改变预凝物和固化剂的比例来调节PDMS的密度和杨氏模量等，实验时用针筒分别吸取0.6mL的固化剂和6mL的预凝物，用玻璃棒搅拌使两者充分混合，然后将配好的液体Fig.1(a)photographofa10mm×10mmthree-dimensionalgraphene；(b)pictureunderopticalmicroscopeofthree-dimensionalgraphene图1(a)三维石墨烯实物图；(b)光学显微镜下三维石墨烯的照片(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面（RCS）研究[J]. 梁达川,魏明贵,谷建强,尹治平,欧阳春梅,田震,何明霞,韩家广,张伟力. 物理学报. 2014(21)
[2]太赫兹技术在军事和航天领域的应用[J]. 闵碧波,曾嫦娥,印欣,马俊海. 太赫兹科学与电子信息学报. 2014(03)
[3]基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器[J]. 莫漫漫,文岐业,陈智,杨青慧,李胜,荆玉兰,张怀武. 物理学报. 2013(23)
[4]太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究[J]. 齐娜,张卓勇,相玉红. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[5]Multiband terahertz metamaterial absorber[J]. 顾超,屈绍波,裴志斌,徐卓,刘嘉,顾巍. Chinese Physics B. 2011(01)
[6]太赫兹科学与技术研究回顾[J]. Bradley Ferguson,张希成. 物理. 2003(05)
本文编号：3398427
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
三维石墨烯的测试曲线
墨烯对太赫兹波的高吸收性和PDMS的柔性可拉伸性，设计并制作了一种“三明治”结构的可拉伸太赫兹吸波结构材料。该材料不仅可以实现在0.2~1.1THz频段内最高90%的太赫兹波吸收率，同时，在20%的一维拉伸量下吸收率可以维持85~90%，且拉伸完成可恢复其结构和吸收性能。这种新型可拉伸和可弯曲的宽带太赫兹波吸收材料在太赫兹非平面应用表面及可穿戴领域有着重要的意义，同时也为研制可拉伸太赫兹器件提供了新思路。Fig.4(a)stretchingdiagramofthe“sandwich"structure;(b)photographofthe"sandwich"structure图4(a)“三明治”结构拉伸示意图；(b)拉伸实物图(b)10nm3Dgraphene(a)PDMS?????20%???0.20.40.60.81.020151050f/THztransmitance/%Fig.6Transmittancecurvesof"sandwich"structurebeforeandafterstretching图6“三明治”结构在拉伸前后的透射率变化曲线beforetensiontensionof20%aftertensionf/THz(a)00.40.81.21.62.0010203040506070amplitude/(a.u.)100806040200absorption/%0.20.40.60.81.0f/THz(b)Fig.5(a)frequencydomainspectrumand(b)absorptionspectrumofthecompositeunderdifferenttensilestrengths图5(a)不同拉伸强度下结构的频域谱；(b)不同拉伸强度下结构的吸收谱notensiontensionof5%tensionof10%tensionof15%tensionof20%tensionof40%airnotensiontensionof5%tensionof10%tensionof15%tensionof20%
表征大规模制备三维石墨烯的方法主要有自组装法和模板导向法。本文使用的是模板导向法中的化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)法[22]制备得到三维石墨烯。首先在100mm口径的石英管式炉中使用泡沫镍作为沉积基底，以甲烷作为生长碳源。将泡沫镍放入在管式炉中，通入100sccm氩气和10sccm氢气作为清洗气体，同时将管式炉温度逐渐升高至1000℃。然后通入10sccm甲烷作为生长气体，生长时间为30min，之后关闭甲烷气体，自然降温至室温，生长完成后再用2mol/L的FeCl3溶液刻蚀基底模板即可获得三维石墨烯。如图1所示，制备的三维石墨烯质量非常轻且具有高度疏松多孔结构，在图1(b)的高倍光学显微镜下看到明显的六边形网状，具有高度多孔结构，多层交错且不完全重叠。这些独特的结构能够使入射到三维石墨烯表面上的太赫兹波几乎没有反射地进入材料内部并损耗。三维石墨烯的疏松结构导致材料易碎，在实际应用中存在很大困难，更无法实现有效的拉伸形变。为了解决这一问题，采用具有高弹性的PDMS薄膜增加三维石墨烯的韧性和可拉伸性。实验所用的PDMS为SYLAGARD184型硅橡胶，由美国DowCorningCrop生产，其中包括预凝物和固化剂2种液体，2种液体混合固化后可吸收波长小于300nm的光，表面自由能约为20erg/cm，导热率为0.18W/(m·K)，粘性是3900mPa·s，比重为1.08，玻璃化温度为150K。可以通过改变预凝物和固化剂的比例来调节PDMS的密度和杨氏模量等，实验时用针筒分别吸取0.6mL的固化剂和6mL的预凝物，用玻璃棒搅拌使两者充分混合，然后将配好的液体Fig.1(a)photographofa10mm×10mmthree-dimensionalgraphene；(b)pictureunderopticalmicroscopeofthree-dimensionalgraphene图1(a)三维石墨烯实物图；(b)光学显微镜下三维石墨烯的照片(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面（RCS）研究[J]. 梁达川,魏明贵,谷建强,尹治平,欧阳春梅,田震,何明霞,韩家广,张伟力. 物理学报. 2014(21)
[2]太赫兹技术在军事和航天领域的应用[J]. 闵碧波,曾嫦娥,印欣,马俊海. 太赫兹科学与电子信息学报. 2014(03)
[3]基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器[J]. 莫漫漫,文岐业,陈智,杨青慧,李胜,荆玉兰,张怀武. 物理学报. 2013(23)
[4]太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究[J]. 齐娜,张卓勇,相玉红. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[5]Multiband terahertz metamaterial absorber[J]. 顾超,屈绍波,裴志斌,徐卓,刘嘉,顾巍. Chinese Physics B. 2011(01)
[6]太赫兹科学与技术研究回顾[J]. Bradley Ferguson,张希成. 物理. 2003(05)
本文编号：3398427
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