论文部分内容阅读
近年来,随着军事探测技术的不断更新换代,对隐身吸波材料的要求与日俱增,不仅要求吸波材料具有良好的抗氧化性和化学稳定性,而且还应满足“薄、宽、轻、强”的综合性能要求。石墨烯具有良好的介电性能、特殊的微观结构、较低的比重和优异的化学稳定性等优点,在雷达吸波领域有着广阔的应用前景。但单一石墨烯吸波材料介电常数较大,不利于阻抗匹配,导致其吸波性能较差,将其与磁损耗型吸波材料复合可以有效改善电磁匹配特性,提高吸波性能。然而,如何将石墨烯与磁损耗型吸波材料通过合适的技术手段有效复合,并对复合材料的结构及性能进行优化设计,制备出具有特定组成、结构及性能的磁功能化石墨烯基复合吸波材料仍是当今具有挑战性的课题。目前对于石墨烯基吸波材料性能研究主要集中于二维结构方面,而三维结构石墨烯材料内部存在的多重反射及散射和错综复杂的多孔网络结构有利于增强其损耗能力,与典型的二维结构石墨烯基吸波材料相比,具有特殊三维结构的“泡沫型”石墨烯表现出更加优异的电磁吸收特性,将磁性金属粒子与具有三维复杂空间结构的石墨烯复合,可以实现超宽频的电磁响应,显著提高石墨烯的电磁波吸收性能。因此,本论文将石墨烯与不同磁性金属复合,设计和制备了具有三维结构的磁功能化石墨烯泡沫复合材料和磁功能化石墨烯气凝胶复合材料两大体系,以期达到隐身吸波材料的质轻、宽频、高强的吸收性能要求:从材料结构设计出发,利用水热还原自组装法,将不同磁性纳米粒子通过化学还原原位沉积在石墨烯片层上,分别构筑了含Co纳米粒子、含Ni纳米粒子和含Fe3O4纳米粒子的磁功能化石墨烯泡沫复合材料（MGF@Co、MGF@Ni、MGF@Fe3O4）。考察了金属粒子种类、含量与复合材料性能之间的影响关系。研究结果表明所制备的MGF@Co、MGF@Ni和MGF@Fe3O4复合材料由高度褶皱的还原氧化石墨烯片自组装而成,并同步形成3D多孔结构,具有高孔隙率、高比表面积、轻质等优点且具备优异电磁波吸收性能及强耐腐蚀性。其中,MGF@Co复合材料在填充量27wt.%、匹配厚度1.9mm时,最小反射损耗值为-65.8 dB,有效吸收频带达5.2 GHz,0.1 mol/L盐酸溶液浸泡处理后复合材料饱和磁化强度仅下降8%,在匹配厚度3.2 mm时最小反射损耗值为-47.1 dB,有效吸收频带为5.4GHz;MGF@Ni复合材料在填充量23wt.%、匹配厚度2.3 mm时,最小反射损耗值为-58.7dB,有效吸收频带达5.8 GHz,0.1 mol/L盐酸溶液浸泡处理后复合材料饱和磁化强度略微下降,在匹配厚度2.1 mm时最小反射损耗值为-45.4dB,有效吸收频带为5.2 GHz;MGF@Fe3O4复合材料在填充量23wt.%、匹配厚度3.1 mm时,最小反射损耗值为-64.4 dB,有效吸收频带达6.0 GHz,0.1 mol/L盐酸溶液浸泡处理后复合材料的饱和磁化强度仅仅降低3%,在匹配厚度2.3 mm时最小反射损耗值为-49.4 dB,有效吸收频带为6.2 GHz;随着金属粒子含量的增大,三种复合材料的电磁波吸收性能均先增强后减弱,最小反射损耗值随着匹配厚度的增大向低频移动;所构筑的三种复合材料综合性能均优于文献所报道的大多数石墨烯基复合材料。从材料结构设计和性能优化出发,利用化学还原自组装法,并结合高温煅烧工艺将不同磁性纳米粒子通过高温原位热解负载在石墨烯片层上,制备了多种具备优异电磁波吸收性能及超疏水性能的含Fe3O4纳米粒子、含Co纳米粒子和含Ni纳米粒子磁功能化石墨烯气凝胶复合材料（SHGA@Fe3O4、SHGA@Co、HGA@Ni）,详细考察了金属粒子种类、含量、煅烧温度对复合材料性能的影响。结果表明SHGA@Fe3O4复合材料在填充量5wt.%、匹配厚度3.0 mm时,最小反射损耗值为-57.94 dB,有效吸收频带达5.7 GHz;SHGA@Co复合材料在填充量4.25wt.%、匹配厚度2.4 mm时,最小反射损耗值为-51.6 dB,有效吸收频带达6.2 GHz;HGA@Ni复合材料在填充量4.25wt.%、匹配厚度3.0 mm时,最小反射损耗值为-52.3 dB,有效吸收频带达6.5 GHz;随着填充量的增大和煅烧温度的升高,三种磁功能化石墨烯气凝胶复合材料的电磁波吸收性能均先增强后减弱,且最小反射损耗值随着匹配厚度的增大向低频移动;磁功能化石墨烯气凝胶复合材料的电磁波吸收性能均优于对应的磁功能化石墨烯泡沫复合材料,填充量仅为5wt.%左右,具有更高性价比的实际应用优势。SHGA@Fe3O4、SHGA@Co、HGA@Ni三种复合材料的接触角随煅烧温度的升高而增大,最大接触角分别达到151.8°、152.0°、137.9°,其中SHGA@Fe3O4、SHGA@Co复合材料表现出超疏水性能,使其具有防水、防结冰、耐腐蚀等特殊用途。同时,环境水滴可以在超疏水表面滚动,去除吸附的灰尘及污染物,实现自清洁功能。磁功能化石墨烯泡沫/气凝胶复合材料优异的电磁波吸收能力主要得益于:独特的3D高褶皱多孔结构,增强复合材料匹配特性的同时,促使其复合材料发生多重散射和折射;其次,增强的电导损耗、介电损耗（界面极化、偶极极化）和磁损耗（自然共振、交换共振）;再者,不同损耗机制之间的协同效应进一步提高复合材料电磁波吸收性能。