石墨烯杂化粒子/镀银玻纤毡复合材料的制备及电磁屏蔽性能研究

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日益严峻的电磁干扰和污染给人民健康、信息通信和国防安全等带来众多隐患,新型电磁屏蔽防护材料得到了广泛关注。表面金属化玻璃纤维毡凭借其耐高温性、柔性轻质、可加工性和电磁功能可调等特性被广泛应用于电磁屏蔽或吸波材料的开发。目前,导电纤维电磁屏蔽材料的研究往往通过提高电导率来增加反射作用以减少电磁波的透过,正是由于过高的反射率容易造成潜在的二次辐射污染。磁性石墨烯杂化材料是一种性能优异的电磁波吸收材料,主要通过改善材料与空气的阻抗匹配以降低电磁波的反射,单一使用对电磁波起到阻隔作用有限。在兼顾镀银玻璃纤维优异的导电性能和机械稳定性能下,将屏蔽反射和吸波作用相融合,纤维增强基体与吸波剂复合后得到的多功能电磁屏蔽材料,能够有效克服阻抗不匹配带来的不良影响。因此,为实现材料电磁屏蔽/吸波一体化,本课题选择镀银玻璃纤维毡为屏蔽基底,重点考虑石墨烯杂化粒子为吸波剂,分别对屏蔽纤维毡和吸波剂进行组分优化、结构调控和电磁性能探究,然后通过浇铸技术将屏蔽层与匹配吸收层进行复合,以期实现同波段内强吸收和高屏蔽效能的有效集成,降低空气-材料界面电磁波的反射强度,改善阻抗匹配能力和电磁损耗,开发轻质高强电磁屏蔽/吸波一体化复合材料。主要工作内容及研究结果如下:(1)通过溶剂热法在石墨烯微片(f-GNPs)表面合成球状四氧化三铁(Fe3O4)磁性粒子,制备了Fe3O4@f-GNPs吸波剂。通过调整制备工艺实现杂化粒子粒径和石墨烯与Fe3O4比例(又称碳磁比例)的相对可控,深入探究Fe3O4粒子的生长过程及调控方法,建立纳米杂化粒子的微观结构、电磁参数与吸波能力之间的构效关系。结果显示,吸波效果随着粒径增大而增大,粒径为422.3nm的杂化材料具有所有样品中最佳的吸波效能,1.5mm厚度下的复合材料在2-18GHz的频段内最大反射损耗(RL)可达-30.2dB。此外,还能通过调整Fe3O4@f-GNPs样品碳磁比例和厚度来调节其电磁参数及微波吸收效果。当碳磁比为1.4:1时,厚度为1.5mm的吸波器反射损耗值可达-48.34 dB,有效带宽(RL<-10dB)为2.56 GHz(11.12-13.68 GHz)。证实磁性粒子的引入优化了杂化材料的阻抗匹配,且碳磁异质结构进一步促进了极化弛豫对电磁波的衰减。(2)借助聚多巴胺(PDA)修饰方法对玻璃纤维毡(GM)进行表面改性,然后以此为二次功能化平台进一步在纤维表面镀银,制备电磁屏蔽玻璃纤维毡。多巴胺浓度和镀银溶液浓度的调节是实现镀银玻璃纤维毡导电性和屏蔽效能优化的主要方法。结果显示:经2g/L多巴胺在纤维表面氧化自聚后,镀银纤维表面包覆的银层均匀,粘附性强;当硝酸银浓度为12g/L时,镀银玻纤增重率最高,对应试样的导电性最佳,屏蔽效能最高为72.03 dB。材料的高屏蔽性能归结为导电玻纤毡内部三维多孔宏观结构同时增强了电导损耗和多重散射损耗。(3)以自制的Fe3O4@f-GNPs杂化粒子为匹配吸收层的功能填料,与水性聚氨酯混合后采用浇铸方式与镀银玻纤毡进行复合,在磁场诱导作用下,磁性吸波剂集中分布一侧,形成“吸波+屏蔽”的双层结构。不含吸波剂的导电玻纤毡复合材料介电常数较高,吸收率较低,吸波剂的加入有效提高了复合材料阻抗匹配效果和电磁波的吸收衰减,且呈现出独特的“吸收-反射-吸收”的多重屏蔽机制。当功能填料含量为20%时,复合材料的平均电磁屏蔽值为21.81dB,其中吸收率达0.41,同时优异的力学性能保证了玻纤复合材料具有稳定可靠的电磁屏蔽能力。
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