石墨烯基磁性納米復(fù)合材料的可控合成及其吸波性能研究.pdf

1、隨著電子設(shè)備在商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域的快速發(fā)展與應(yīng)用，由于電磁輻射而造成的電磁干擾問(wèn)題變得日益嚴(yán)重了。于是，研發(fā)高效微波吸收劑成為了當(dāng)前的一項(xiàng)重要工作。近年來(lái)，研究人員做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，希望能夠獲得具有“涂層薄、密度小、頻帶寬、強(qiáng)度大”等特點(diǎn)的微波吸收材料。單一類(lèi)型的吸波材料很難滿(mǎn)足這一要求，因而復(fù)合型吸波材料的研究逐漸成為一個(gè)重要方向。
　　石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢

2、晶格的平面薄膜，具有良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的機(jī)械特性以及高化學(xué)穩(wěn)定性、高比表面積等特點(diǎn)。石墨烯表面可引入豐富的官能團(tuán)（如－OH、－C＝O等），其他功能材料可以很好地沉積或生長(zhǎng)在其表面。石墨烯質(zhì)量輕、比表面積大，可望用作輕質(zhì)量微波吸收材料，但是高導(dǎo)電性又限制了石墨烯在這一方面的應(yīng)用。將具有介電損耗或磁損耗的納米材料沉積在石墨烯上，形成石墨烯基納米復(fù)合材料，可以極大地改善石墨烯在吸波材料方面的應(yīng)用。
　　本論文以石墨烯作為負(fù)載平臺(tái)，合成

3、了4種石墨烯基磁性納米復(fù)合材料，研究了納米復(fù)合材料的合成方法及納米材料在石墨烯上的生長(zhǎng)機(jī)制，討論了它們的吸波性能。采用掃描電鏡、透射電鏡、X射線(xiàn)衍射分析、X射線(xiàn)光電子能譜等技術(shù)對(duì)所合成的納米復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)定了材料的電磁參數(shù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　合成了由石墨烯、Fe3O4@Fe核/殼納米顆粒、ZnO納米顆粒組成的四元納米復(fù)合材料。其中，F(xiàn)e3O4@Fe核/殼納米顆粒的直徑約

4、為18nm，F(xiàn)e3O4殼的厚度約為5nm，ZnO納米顆粒的直徑在2～10nm之間。電磁參數(shù)測(cè)量表明，該復(fù)合材料的反射損耗低于–20dB的帶寬高達(dá)7.3GHz，在此帶寬范圍內(nèi)，超過(guò)99％的電磁波能量被衰減了，此時(shí)吸收劑基質(zhì)中納米材料的添加量?jī)H為20wt％。因此，所合成的四元納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的電磁吸收特性，以及“質(zhì)量輕、吸收帶寬”等特點(diǎn)。
　　發(fā)展了一種新的方法——種子輔助法，采用這種方法設(shè)計(jì)合成了三維 SiO2@Fe3O4核/殼

5、納米棒陣列/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，SiO2@Fe3O4核/殼納米棒的長(zhǎng)度和直徑分別約為60nm和25nm，幾乎垂直生長(zhǎng)于石墨烯的兩面。電磁參數(shù)測(cè)量說(shuō)明，三維結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電磁吸收特性。在石蠟基質(zhì)中三維結(jié)構(gòu)的添加量為20wt％，該復(fù)合材料可以衰減99％的電磁波。另外，提出了三維納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制，此方法還可應(yīng)用于合成其他三維磁性石墨烯納米結(jié)構(gòu)，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　在此基礎(chǔ)上，采用種子輔助法成功地將具有順磁性行為的超薄γ-Fe2O

6、3納米片生長(zhǎng)在了石墨烯的表面。其中，納米片的長(zhǎng)度、高度和厚度分別約為140nm、120nm和5nm。電磁參數(shù)測(cè)量表明，與石墨烯和其他一些磁性納米材料相比，三維G/γ-Fe2O3納米片陣列具有顯著增強(qiáng)的電磁波吸收特性。當(dāng)厚度為2mm時(shí)，三維G/γ-Fe2O3納米片陣列的最小反射損耗低于–15.2dB，厚度為4.92mm時(shí)，則低達(dá)?64.1dB。因此，三維G/γ-Fe2O3納米片陣列具有良好的電磁吸收特性，有望應(yīng)用于電磁吸收領(lǐng)域。
　

7、　以石墨烯為基質(zhì)，采用一步低溫液相合成法，成功地將金屬鐵、鎳合金生長(zhǎng)到了石墨烯上。由透射電鏡圖可以看出，F(xiàn)eNi納米晶粒均勻地分布在石墨烯的表面，平均粒徑小于10nm。由于石墨烯與金屬合金之間的協(xié)同效應(yīng)，G/FeNi納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的電磁吸收性能。G/FeNi納米復(fù)合材料在石蠟基質(zhì)中的添加量為20wt％，在吸波劑的厚度為0.45mm時(shí)，其最低反射損耗幾乎達(dá)到－40dB；涂層厚度低于1mm時(shí)，在12～17.5 GHz之間其反射損耗低于

8、－20dB，微波吸收率達(dá)到了99％以上，頻寬達(dá)到了5.5GHz。相對(duì)于G/Fe、G/Ni納米復(fù)合材料，G/FeNi納米復(fù)合材料具有更好的吸波性能。
　　綜上所述，為了獲得具有“薄、輕、寬、強(qiáng)”特性的吸波材料，本論文采用簡(jiǎn)單易行的方法可控合成了幾種石墨烯基納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，所合成的幾種復(fù)合結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出了比較強(qiáng)的電磁吸收特性。本論文的研究工作不僅為新型材料的設(shè)計(jì)合成方法提供了新的思路，而且為石墨烯基納米復(fù)合材料在微波吸收領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理