石墨烯杂化材料的制备与吸波性能研究

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随着科学技术的发展,各种电子设备和通信设施为社会提供便利的同时,产生的电磁辐射污染正在日益加剧。它不仅能够干扰电子设备的正常运行,而且还严重的影响了人类的身体健康。为解决以上难题,电磁波吸收材料的应用成为现代电子设备中不可忽视的部分。因此探索轻质高效的吸波材料对现代生活、经济建设和国防建设具有重要意义。石墨烯具有密度低、比表面积大、导电率高等特点,被认为是最适合提高吸波性能的材料之一。但石墨烯的电磁损耗机制单一以及在基体中分散性差极大地限制了它的应用。因此,将石墨烯与磁损耗材料结合来设计石墨烯基吸波材料是提高吸波性能的主要手段之一。本文利用还原氧化石墨烯(RGO)、生物质活性炭(AC)、铁氧体(Fe3O4和CoFe2O4)、羰基铁(CI)和SiO2为组成成分,通过冷冻干燥法、溶剂热法和热还原法等工艺制备了三类石墨烯基吸波材料:RGO/AC/Fe3O4、LRGO@AC/CoFe2O4和CI/SiO2/RGO。采用SEM、XRD、TEM等多种表征手段对吸波材料进行了微观形貌、化学结构以及吸波性能测试表征,并模拟了其在隐身领域的实际应用。具体研究内容如下:(1)采用改进的Hummers法和溶剂热法分别制备了氧化石墨烯(GO)悬浮液和Fe3O4磁性纳米粒子,然后将GO、Fe3O4以及预处理(ZnCl2活化)的玉米秸秆芯粉末通过简单的混合工艺混合,再采用冷冻干燥和热还原工艺制备了三维分级多孔结构的RGO/AC/Fe3O4吸波材料。研究结果表明,三维分级多孔结构可以促进电磁协同效应和多透射-吸收机制。当RGO/AC/Fe3O4在石蜡中的质量百分比仅为5%时,复合材料在11.90GHz时其最小反射损耗(RL)值达到-34.78 dB,有效吸收带宽(RL<-10 dB)为5.82 GHz,匹配厚度为3.0 mm。此外,HFSS仿真结果表明,通过涂覆RGO/AC/Fe3O4涂层,铝合金板的雷达散射截面(RCS)值可以从12.37 dBm2降低为3.68 dBm2。(2)通过离心法制备了大片层的GO(LGO),然后采用热还原法和溶剂热法分别制备了LRGO@AC和CoFe2O4,再通过简单的物理混合方法制备了三维导电网络结构的LRGO@AC/CoFe2O4/环氧树脂复合吸波材料。对吸波材料进行了微观形貌和化学结构表征以及吸波性能的测试。研究结果表明,当LRGO@AC和CoFe2O4在树脂中的质量百分含量比仅为5%,样品厚度为3.0 mm时,最小RL值在11.24 GHz时达到-42.70 dB,有效吸收带宽为5.45 GHz。电磁波吸收性能的提高主要归因于由LRGO形成的三维导电网络结构,这个结构不仅有利于树脂基体中LRGO@AC和CoFe2O4的分散,还促进了电磁损耗的协同作用。此外,HFSS仿真结果表明,涂覆LRGO@AC/CoFe2O4涂层铝合金板的RCS值可以有效地降低为-2.45 dBm2。(3)采用化学改性和热还原的方法制备了核壳结构的CI/SiO2/RGO吸波材料。通过SEM、XRD等测试手段对吸波材料进行了微观形貌和化学结构表征,并探究了电磁损耗机理。研究结果表明,SiO2的引入可以使电磁波更容易进入到材料内部,从而有效地改善了吸波材料的阻抗匹配特性。当CI/SiO2/RGO的含量为10 wt.%时,其最小RL值在10.79 GHz时高达-46.43 dB,匹配厚度为2.0 mm,且有效吸收带宽为6.47 GHz,覆盖了整个X频段。与此同时,仿真结果表明,通过涂覆CI/SiO2/RGO涂层,铝合金板的RCS值可以有效地降低为-3.14 dBm2。
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