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石墨烯/银纳米线复合材料的吸波性能研究

邹毅  
【摘要】:数字设备的普及和雷达探测技术的飞速发展为我们的生活带来了便利,但是也造成了大量的电磁污染问题,并对人类的身体健康产生负面影响。吸波材料可有效抑制电磁波危害,为公共安全提供保障。在高科技领域,电磁防护对精密仪器的发展起着至关重要的作用;在军事领域,吸波材料可以保护军事人员和武器免受电磁干扰,提高作战效能。然而,传统吸波材料存在损耗机制单一、有效吸波频带窄、密度高等缺陷,其综合性能难以满足现代商业化和军事化对吸波材料“薄、轻、强、宽”的要求。本论文设计了多种方案制备还原石墨烯,并以环氧树脂为基体制备了吸波材料,多种测试与表征结果表明高还原程度的石墨烯拥有更好的介电损耗性能。通过纳米表面效应使石墨烯与银纳米线自组装形成三维网络纳米结构,利用石墨烯强介电损耗能力和银纳米线高电导率的特点使二者产生协同作用,改善了石墨烯片层的团聚问题,丰富了银纳米线的介电损耗形式,二者形成的复合材料具有优异的吸波性能,为石墨烯和银单质在电磁波吸收领域提供了新思路。本文主要研究内容如下:(1)分别采用VC和HI为还原剂制备RGO,并通过改变VC用量控制RGO的还原程度。在VC法中,RGO的还原程度随着还原剂用量增加而提高,而HI法制备的RGO-HI中碳原子相对含量高达85.7%,具有最高的还原程度。研究结果表明高度还原的石墨烯具有更强的介电损耗能力,在环氧树脂基体中,RGOHI添加量仅为1 wt%时,2.5 mm厚度的吸波体在16.6 GHz具有最强吸收峰值-10.1 dB,其吸波效果主要来源于高还原程度的RGO引起更多的电子极化弛豫、电阻损耗和界面极化弛豫等介电损耗机制。(2)通过乙二醇还原法制备了尺寸均一的高纯银纳米线,单组份的AgNWs在树脂基体中的吸波效果并不明显,当AgNWs添加量达到15 wt%时,其复合材料的最低反射损耗值仅为-4.2 dB,这是因为AgNWs具有较高的导电性但电磁损耗机制单一,使复合材料拥有较高的介电常数实部和较低的虚部而导致材料的阻抗匹配率极低,电磁波难以进入材料内部实现有效的吸波效果。(3)利用纳米表面效应产生的吸附作用使一维AgNWs与二维RGO自组装,制备了具有优异吸波性能的三维网络纳米结构的RGO-AgNWs复合材料,材料的吸波性能随着AgNWs含量的增加而逐渐提高。当含量仅为1 wt%的RGO与15 wt%的AgNWs复合时,在环氧树脂基体中具有优异的吸波性能,厚度为1.8 mm的RGO-AgNWs3吸波体在11.5 GHz具有最强吸收峰值-33.2 dB且有效吸波频宽为3.3 GHz(9.9~13.2 GHz)。这是因为AgNWs和RGO自主装产生协同作用,极大的提高了复合材料的介电虚部,一方面有效的改善了吸波体的阻抗匹配率,另一方面极大地提高了对入射电磁波的衰减能力,弥补了AgNWs和RGO单独作为吸波剂的不足。


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