石墨烯三维复合材料的制备及其微波吸收性能研究

发布时间：2016-08-17 18:18

  本文关键词：石墨烯三维复合材料的制备及其微波吸收性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《西北工业大学》 2014年

石墨烯三维复合材料的制备及其微波吸收性能研究

王雷  

【摘要】：由于电子设备及通讯设施在工业、商业和军事领域的广泛应用，电磁干扰问题日益严重。采用吸波材料衰减这些有害的电磁波能量是一种有效的方法，理想的吸波材料应该具有厚度薄、吸收频带宽、质量轻、吸收强、良好的化学稳定性和抗氧化性能等优点。石墨烯是一种由碳元素通过sp2杂化轨道组成的平面二维结构碳材料，具有优异的导电性、导热性、机械性能及高的比表面积。石墨烯这些优异的性能使其有望满足理想吸波材料的上述要求，是一种潜在的理想吸波材料。但石墨烯优异的导电性使其阻抗匹配特性差，单独使用时吸波性能较差，与其它类型的吸波材料复合，改善阻抗匹配特性是一种有效的提高其吸波性能的方法。目前有关石墨烯基吸波材料的研究主要集中在二维材料方面，而对于其三维材料的研究较少。本文将石墨烯与其它类型的吸波材料复合构筑了石墨烯三维结构，并研究了其吸波性能，主要研究内容如下： 结合溶胶-凝胶和水热法制备了一种新型的石墨烯@Fe3O4@SiO2@NiO纳米片阵列三维复合材料。采用一缩二乙二醇作为还原剂和溶剂，，同时还原FeCl3和氧化石墨烯原位制备了石墨烯@Fe3O4；进而通过石墨烯@Fe3O4与正硅酸四乙酯的溶胶-凝胶反应制备石墨烯@Fe3O4@SiO2；最终通过水热法、结合热解过程在石墨烯@Fe3O4@SiO2表面垂直生长了NiO纳米片阵列，制备了石墨烯@Fe3O4@SiO2@NiO纳米片阵列三维复合材料。电磁参数研究表明，石墨烯@Fe3O4@SiO2@NiO纳米片阵列三维结构的吸波性能优于石墨烯@Fe3O4和石墨烯@Fe3O4@SiO2，这与其特殊的三维结构、大的比表面积及多孔结构有关。石墨烯@Fe3O4@SiO2@NiO纳米片阵列三维结构的最大吸收位于14.6GHz，为-51.5dB，-10dB以下的吸收频带宽度为5.1GHz (12.4~17.5GHz)，相应的匹配厚度仅为1.8mm。 通过绿色化学方法在石墨烯@Fe3O4纳米簇@C复合材料表面构筑了MnO2纳米片阵列，制备了石墨烯@Fe3O4纳米簇@C@MnO2纳米片阵列三维复合材料。以原位溶剂热法制备了石墨烯@Fe3O4纳米簇；进而通过水热法结合热解过程制备了石墨烯@Fe3O4纳米簇@C；最后，通过石墨烯@Fe3O4纳米簇@C复合材料表面C与高锰酸钾的绿色还原，在其表面构筑了MnO2纳米片阵列，制备了石墨烯@Fe3O4纳米簇@C@MnO2纳米片阵列三维复合材料。电磁参数研究表明，石墨烯@Fe3O4纳米簇@C@MnO2纳米片阵列三维结构的吸波性能优于石墨烯@Fe3O4纳米簇，这与其特殊的三维结构和大的比表面积有关。石墨烯@Fe3O4@SiO2@NiO纳米片阵列三维结构的最大吸收位于15GHz，为-38.8dB，-10dB以下的吸收频带宽度为5.4GHz (12.3~17.7GHz)，相应的匹配厚度仅为1.8mm。 通过多步反应制备了两种石墨烯@Fe3O4@C@PANI纳米棒阵列三维复合材料，分别为PANI纳米棒阵列共价键修饰的石墨烯@Fe3O4@C，和PANI纳米棒阵列非共价键修饰的石墨烯@Fe3O4@C三维结构。电磁参数研究表明，PANI纳米棒阵列与石墨烯@Fe3O4@C间的键合方式对石墨烯@Fe3O4@C@PANI纳米棒阵列三维结构的吸波性能具有显著影响。PANI纳米棒阵列共价键修饰的石墨烯@Fe3O4@C三维结构的吸波性能优于PANI纳米棒阵列非共价键修饰的石墨烯@Fe3O4@C，最大吸收位于11.4GHz，为-44.2dB，-10dB以下的吸收频带宽度为5.8GHz (9.7~15.5GHz)，相应的匹配厚度为3mm。因此，可通过共价键构筑具有“薄”、“宽”、“轻”、“强”的新型石墨烯基三维材料吸波材料。 通过N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列与乙酰丙酮铁溶剂热反应制备了N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列@Fe3O4纳米簇三维复合材料，并采用XRD、Raman、FTIR、VSM、XPS、TEM和FESEM对其进行表征。结果表明，粒径约40nm的Fe3O4纳米簇均匀的分布于N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列表面，由于复合材料中Fe3O4纳米簇的存在，室温下其具有超顺磁性。电磁参数研究表明，N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列@Fe3O4纳米簇三维结构的吸波性能优于N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列，增强的吸波性能可能与良好的阻抗匹配和多级界面极化有关。N-掺杂石墨烯@PANI纳米棒阵列@Fe3O4纳米簇三维结构的最大吸收为-40.8dB，位于14.8GHz，-10dB以下的吸收频带宽度为5.1GHz (14.4~15.4GHz)，相应的匹配厚度为2.7mm。 使用尿素作为碳源，Co纳米颗粒作为催化剂，一步热解法制备了石墨烯@碳纳米管三维复合材料，而且通过前驱体中尿素含量的控制可容易的调控石墨烯表面碳纳米管的覆盖率和长度。电磁参数研究表明，石墨烯表面碳纳米管的覆盖率和长度对石墨烯@碳纳米管三维结构的吸波性能具有显著影响。当前驱体中尿素含量为15.0g时，300~600nm长的碳纳米密集分布于石墨烯表面，这时石墨烯@碳纳米管三维结构的吸波性能较好，最大吸收位于8.6GHz，为-44.6dB，-10dB以下的吸收频带宽度为3.3GHz (7.1~10.4GHz)，而其在石蜡中的添加量仅为5wt%。 通过多步反应制备了三种石墨烯@SiO2@NiO三维材料，分别为石墨烯@SiO2@NiO纳米颗粒、石墨烯@SiO2@NiO纳米片阵列和石墨烯@SiO2@NiO纳米花。电磁参数研究表明，与石墨烯@SiO2@NiO纳米颗粒和石墨烯@SiO2@NiO纳米花相比，石墨烯@SiO2@NiO纳米片阵列的吸波性能较好，其最大吸收位于11.6GHz，为-43.8dB，-10dB以下的吸收频带宽度为5.8GHz (9.2~15GHz)。此外，还对其吸波机理进行了讨论。

【关键词】：
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33;O613.71
【目录】：

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