含磁性粒子石墨烯空心微球的設(shè)計(jì)、制備及其吸波性能.pdf

1、近年來，隨著反隱身雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，對用于武器裝備的隱身材料提出了越來越高的要求，不僅要求材料對電磁波的吸收能力強(qiáng)、吸收頻帶寬，而且還要求材料具有厚度薄、質(zhì)量輕、化學(xué)穩(wěn)定性好，并且兼具力學(xué)承載能力。石墨烯具有比表面積大、密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種具有潛力的吸波隱身材料。然而，單獨(dú)使用石墨烯作為吸波材料時(shí)，由于其較高的電導(dǎo)率，使其與空氣的阻抗系數(shù)不匹配，造成電磁波在其表面容易發(fā)生反射，進(jìn)而造成吸波隱身效果不理想。

2、所以，如何將介電損耗型的石墨烯與具有磁損耗機(jī)理的磁性材料通過合適的技術(shù)手段進(jìn)行匹配復(fù)合，制備具有多重電磁損耗機(jī)制和特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合型吸波隱身材料乃是當(dāng)今具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。
　　本論文從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有空心結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯微球;首次使用油包水與高溫煅燒兩步法相結(jié)合的自組裝技術(shù)，將磁性納米粒子引入到具有空心結(jié)構(gòu)的石墨烯微球中，成功制備了三種負(fù)載有不同磁性納米粒子的還原氧化石墨烯復(fù)合微球(Air@rGO(C)Co、Ai

3、r@rGO(C)Ni和Air@rGO(C)Fe3O4)。采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜儀(XPS)和振動樣品磁強(qiáng)汁(VSM)等分析測試手段，深入的研究了負(fù)載有磁性納米粒子空心還原氧化石墨烯微球的物相結(jié)構(gòu)特征、微觀結(jié)構(gòu)形貌、表面化學(xué)成分及其磁響應(yīng)特性。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試了空心復(fù)合微球的電磁特性參數(shù)，并用Matlab軟件系統(tǒng)地研究了在1-18GHz雷達(dá)波范圍內(nèi)，磁性納米粒子種

4、類與含量對Air@rGO(C)Co、Air@rGO(C)Ni和Air@rGO(C)Fe3O4復(fù)合微球吸波性能的影響及其變化規(guī)律。最后，探討了空心復(fù)合微球?qū)﹄姶挪ǖ膿p耗機(jī)制。
　　研究結(jié)果表明:創(chuàng)制的三種復(fù)合微球均具有優(yōu)異的吸波性能和耐腐蝕特性，其電磁波吸收強(qiáng)度和有效吸收頻寬都遠(yuǎn)大于純還原氧化石墨烯和純磁性納米粒子。Air@rGO(C)Co復(fù)合微球在匹配厚度僅為2.2mm達(dá)到最優(yōu)的吸波性能，其最小反射率為-68.1dB，反射率小于-

5、10dB的頻寬達(dá)到7.1GHz。在鹽酸溶液浸泡5d后，Air@rGO(C)Co復(fù)合微球的飽和磁化強(qiáng)度僅下降了7.5％;在厚度為2.8mm時(shí)吸波性能達(dá)到最優(yōu)，其最小反射率值達(dá)到-50.4dB，反射率小于-10dB的頻寬為6.1GHz。Air@rGO(C)Ni復(fù)合微球最小反射率為-59.7dB，反射率小于-10dB的頻寬達(dá)到4.8GHz，匹配厚度為2.7mm。在鹽酸溶液浸泡5d后，Air@rGO(C)Ni復(fù)合微球的飽和磁化強(qiáng)度僅下降了4.8

6、％;當(dāng)匹配厚度為3.0mm時(shí)具有最優(yōu)的吸波性能，其最小反射率值達(dá)到-48.3dB，反射率小于-10dB的頻寬為4.2GHz。Air@rGO(C)Fe3O4復(fù)合微球在匹配厚度為2.8mm時(shí)吸波性能達(dá)到最優(yōu)，其最小反射率為-52dB，反射率小于-10dB的頻寬達(dá)到7.2GHz。在0.1mol/L的鹽酸溶液浸泡5d后，Air@rGO(C)Fe3O4復(fù)合微球的飽和磁化強(qiáng)度僅下降了6.5％;匹配厚度為3.5mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)吸波性能，其最小反射率值達(dá)

7、到-46dB，反射率小于-10dB的頻寬仍有6.0GHz。
　　含有磁性納米粒子的還原氧化石墨烯復(fù)合空心微球具有優(yōu)異吸波性能的主要原因是:還原氧化石墨烯具有合適的電導(dǎo)率，使其相比于氧化石墨烯具有更強(qiáng)的電阻損耗能力;還原氧化石墨烯較好的導(dǎo)電性，抑制了磁性粒子表面產(chǎn)生渦流，增加了復(fù)合微球的匹配特性。其電磁損耗機(jī)制主要包括:石墨烯和磁性粒子之間以及磁性粒子和磁性粒子間的界面極化;石墨烯的電阻損耗、德拜松弛、Maxwell-Wagner松

8、弛、電子/離子極化、偶極子極化;磁性納米粒子的電子極化、自然共振和交換共振等。
　　依據(jù)阻抗?jié)u變有利于吸收的原理，兼顧吸波性能、力學(xué)性能及其減重功能同步提升的設(shè)計(jì)原則，采用漸變趨深吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，以芳綸纖維增強(qiáng)雙馬樹脂為復(fù)合材料透波層，以碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂復(fù)合材料為反射層;以含有不同種類磁性納米粒子的復(fù)合微球/雙馬樹脂/芳綸纖維復(fù)合材料為吸收層，構(gòu)筑了具有漸變趨深吸波效果的結(jié)構(gòu)型隱身復(fù)合材料層合板。系統(tǒng)研究了復(fù)合微球種類與含量對