论文部分内容阅读
石墨烯具有超高比表面积、低密度、高稳定性和优良可加工性等特点,被视为最理想的制备“轻、薄”型微波吸附材料之一。然而纯石墨烯因为电导过高导致高反射低损耗,并不能直接用作吸波材料,常用的解决办法是与低介电型高分子化合物及磁损型磁性纳米粒子复合,但这无疑会使吸波材料变得厚重,从而无法实际应用到国防安全及航天航空中吸波隐身及杂电流干扰消除。如何改变石墨烯的结构和性质实现单一轻薄材料高吸波特性是目前研究的瓶颈。本论文选用含杂原子的还原剂在低温、液相条件下部分还原氧化石墨烯,从而制备杂原子掺杂石墨烯。研究发现,通过改变还原剂用量,可以有效调节还原氧化石墨烯表面极性官能团和缺陷的浓度,从而实现石墨烯的电导、介电特性的调节,并进一步通过优化石墨烯界面间极化、偶极取向极化实现对于电磁波吸收频段和强度的有效调节。探索杂原子对掺杂石墨烯基材料电磁参数、吸波频段对吸收能力的影响。从而制备出吸收率高、吸收频带宽、质量轻、厚度薄、力学性能优异、耐高温并且制造成本低的多功能吸波材料。实验内容及结果:（1）以水合肼（N2H4·H2O）为还原剂,采用湿法化学还原GO实现石墨烯N掺杂,由于富电子N原子的掺杂,N掺杂石墨烯电导率比水热还原氧化石墨烯电导增大一个数量级,其电磁损耗机制表现为以电子极化、电偶极子极化等介电弛豫损耗为主的介电型吸收材料,主要表现有衰减常数增加,复合介电常数增加,介电常数实部在2-18 GHz范围内从26.3到15.7变动,虚部从21.7变动到7.8。微波吸收能力与水热还原氧化石墨烯相比有所提高,在6.5-18 GHz范围内反射损耗在-10 d B以下,即能有效吸收90%以上的电磁波,这已经能满足实际应用的基本要求。但由于N原子与C原子半径接近,很容易在还原过程中掺杂进入石墨烯面层结构,还原剂用量对掺杂程度影响不大,所以改变还原剂质量,N掺杂石墨烯的电导及吸波能力变化不大。（2）以硼氢化钠（Na BH4）为还原剂,采用湿法化学还原GO实现石墨烯B原子掺杂,考察Na BH4加入量对石墨烯电导、电磁参数和吸波性能的影响,通过XRD、FT-IR、Raman、XPS、TEM和矢量网络分析仪等测试表征手段,对B掺杂石墨烯（B-GS）的结构、形貌和吸波性能分析研究。研究结果表明:缺电子B掺杂石墨烯可以有效调节电导率至最佳数值,在增加界面极化的同时实现阻抗匹配,从而有效的提高其微波吸收能力,尤其是所制备的B-GS4材料阻抗匹配最佳,衰减能力最强。在涂层厚度2.5 mm时,低于-10 d B的有效吸收带宽2 GHz（6.96-8.96GHz）,在7.84 GHz处最优反射损耗值达到了-43.78 GHz。微波吸收达到99.99%以上。（3）以硫化钠（Na2S）为还原掺杂剂,采用湿法化学还原GO实现S原子掺杂,考察Na2S加入量对石墨烯电导、电磁参数和吸波性能的影响。研究结果表明:S-GS可以用于微波C、X、Ku波段全吸收,在2-18 GHz范围内,S-GS的反射损耗均达到-20 d B,即电磁波吸收强度达到99%,较之B掺杂有明显提高。S-GS4在吸波涂层厚度2.5 mm时,在8.24 GHz处,最低反射损耗值达到了-42.2 GHz,有效吸收带宽达到了2.32 GHz（7.28-9.6 GHz）,微波吸收能力接近99.99%。（4）为了更进一步剖析S掺杂对石墨烯结构及吸波性能的影响,以更强的多硫化钠（Na2Sx）为还原剂,采用湿法化学还原氧化石墨烯实现S原子掺杂,重点考察了S掺杂官能团浓度与种类及石蜡含量对Sx-GS的吸波性能影响。研究结果表明:随着S掺杂浓度的增加及石蜡配比的减少,Sx-GS逐渐从电磁屏蔽特性转变为电磁吸收特性。另外,随着石墨烯片层上掺杂S的存在状态从单质硫和硫化物逐渐转变为噻吩硫和磺酸硫,Sx-GS的最佳吸波频带从低频向高频移动。