磁性納米粒子負(fù)載石墨烯的結(jié)構(gòu)調(diào)控及吸波機(jī)理研究.pdf

1、新型吸波材料具有質(zhì)量輕、吸收能力強(qiáng)、吸收范圍廣、耐腐蝕和良好的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是國際上防止電磁輻射污染、提高軍事目標(biāo)的生存能力和突防能力領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)材料。單一類型的吸波機(jī)制很難滿足現(xiàn)代吸波要求，吸波材料設(shè)計(jì)正朝著復(fù)合化、寬頻化、輕量化等方向發(fā)展。通過結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)多種損耗協(xié)同效應(yīng)和良好的阻抗匹配是設(shè)計(jì)高強(qiáng)寬頻吸波復(fù)合材料的關(guān)鍵。
　　金屬磁性材料具有飽和磁化強(qiáng)度高和磁導(dǎo)率大等優(yōu)點(diǎn)，主要依靠磁損耗衰減電磁波，但密度大、高溫穩(wěn)定性差和

2、耐腐蝕性差;減小粒子尺寸、調(diào)控復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及與其他物質(zhì)復(fù)合，可以減少渦流損耗和增大阻抗匹配，提高其吸波性能。石墨烯具有比表面積大、質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的介電損耗型吸波材料。本文以Co(Ni，CoxNiy)/石墨烯吸波材料為研究對象，通過組分設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)調(diào)控和吸波機(jī)理探究，研究了該材料在1-18GHz頻段的吸波性能，探索了“結(jié)構(gòu)功能一體化”輕質(zhì)高效吸波材料的原位制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了零維（一維、二維、三維）/二維

3、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)調(diào)控，提高了材料的吸波性能(最佳電磁波損耗達(dá)-53.51 dB，最寬有效吸波帶寬達(dá)5.24GHz)。
　　論文利用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨，超聲剝離得到氧化石墨烯，隨后用水合肼還原得到石墨烯(rGO)。制備的氧化還原石墨烯具有大量微觀缺陷作為極化中心，殘留官能團(tuán)含氧原子以及表面懸掛化學(xué)鍵促進(jìn)電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電偶極矩，在交變電磁場中易產(chǎn)生極化弛豫促進(jìn)電磁波衰減，損耗以介電損耗為主;相對石墨、氧化石墨等其它碳材料，石

4、墨烯的復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)較為接近，有相對較好的阻抗匹配性，具有較好的吸波性能。其最佳吸收在14.26 GHz處達(dá)-17.39 dB，有效吸波寬度為5.9GHz(12.1-18.0GHz)。
　　論文利用水熱還原法在氧化石墨烯表面同步還原負(fù)載Ni、Co和CoxNiy等磁性微納米粒子，原位合成出Co(Ni，CoxNiy)/rGO的復(fù)合材料，保證兩相同步附著。通過組份設(shè)計(jì)和尺寸控制改善吸波性能，研究吸波性能變化及相關(guān)機(jī)理。當(dāng)Co∶Ni

5、∶rGO=9∶3∶2（質(zhì)量比）時(shí)，制備的復(fù)合材料Co3Ni1/rGO具有較好的吸波性能，在吸波厚度為3.0 mm、吸波頻率為9.54 GHz時(shí)，吸波損耗值為-42.64dB，有效吸波寬度為8.28-13.14 GHz。分析吸波機(jī)理:(1)由于金屬粒子分散負(fù)載在石墨烯表面上，產(chǎn)生大量的界面，在電磁場作用下引發(fā)界面極化效應(yīng)產(chǎn)生界面介電極化弛豫;(2)聚集在還原氧化石墨烯表面和層之間的金屬粒子，可以形成導(dǎo)電通道，引起電導(dǎo)損耗;(3) Co3N

6、i1/rGO復(fù)合材料具有較大的缺陷和部分殘余的含氧官能團(tuán)，在外界電場的作用下形成多種極化的中心，促進(jìn)電磁波的衰減;(4)介電損耗、磁損耗和電導(dǎo)損耗等多種損耗機(jī)制協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)化了材料對電磁波的吸收作用。
　　通過加入引導(dǎo)劑、改變反應(yīng)時(shí)間等方法調(diào)整合成條件，分別在石墨烯上定向生長一維鏈狀、二維片狀和三維花狀的Co3Ni1，實(shí)現(xiàn)了Co3Ni1/rGO微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控。分析各種形貌的生長過程和吸波機(jī)理，研究材料微觀結(jié)構(gòu)對吸波性能的影響規(guī)律。二維

7、硬幣片狀Co3Ni1/rGO吸波性能最佳，在9.36 GHz，吸波層厚度為3.6 mm時(shí)，最小吸波損耗值為-53.51 dB，有效吸波寬度為7.75-11.88GHz。片狀結(jié)構(gòu)使電磁波在有限空間內(nèi)發(fā)生多重反射和散射引起電磁波能量的耗散，同時(shí)磁性片狀合金之間的渦流損耗引起電磁波耗散，另外片狀各向異性的增加使得體系的自然共振頻率逐漸提高，進(jìn)而提高磁性合金的Snoek極限。
　　論文系統(tǒng)研究材料微觀結(jié)構(gòu)與電磁波的作用機(jī)理，分析界面尺寸效

8、應(yīng)和界面極化行為，分析粒子形貌對電磁波損耗特性和阻抗匹配特性的影響作用;構(gòu)建吸波機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)磁場、電場等多物理場直接耦合分析，模擬特定微觀結(jié)構(gòu)的磁性金屬/石墨烯復(fù)合材料在電磁波的作用下的界面極化行為，揭示了通過調(diào)控結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁效應(yīng)、界面效應(yīng)、電導(dǎo)效應(yīng)和介電效應(yīng)協(xié)同作用吸波機(jī)理。
　　本文提供一種“結(jié)構(gòu)-功能一體化”復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控手段，制備一種輕質(zhì)高強(qiáng)寬頻高性能吸波材料，為多相復(fù)合材料跨尺度界面效應(yīng)研究提供新思路，為多種效應(yīng)協(xié)同