中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

当今，随着抗电子设备、网络技术和小型通信设备的发展，由电磁波所引发的诸如电磁干扰和电磁污染等已经成为了一个日益严重的问题，这可能会影响电子设备的性能以及广泛的应用，甚至会对信息安全和人类健康带来严重的威胁。特别对于国防领域，对军事目标的雷达保持高效隐身不仅可以提升自身武器装备的安全，而且能对敌方目标展开快速精确的打击。电磁波吸收材料，能够将电磁能量转化为其他形式的能量，从而实现对电磁波的衰减与吸收，通常被认为是解决电磁干扰、电磁污染以及雷达隐身问题的有效手段。因此，基于社会发展和国防建设的需求，开发具有轻薄、较大吸收强度和较宽吸波频带的高性能吸波材料已经迫在眉睫。要满足这些要求的关键在于对吸波材料电磁参数的调控，而材料的组分、形貌、结构、尺寸大小等因素对于材料电磁参数的调控至关重要。将具有介电损耗性能的材料与介电性或磁性损耗组分复合，一方面可以改善材料的阻抗匹配性能，另一方面也能为材料带来磁损耗特性，从而进一步增强材料对电磁波的损耗能力，获得吸波性能优异的复合材料。 本论文以具有较低密度、优异介电性能的轻质碳材料为主要研究对象，从形貌调控、介电/介电材料复合、介电/磁性材料复合、组分间比例等方面研究了对吸波材料电磁参数的调控手段，并对其吸波性能展开了深入的研究。论文的研究内容分为以下五个部分： （1）利用化学还原和水热法，将铁酸锌（ZnFe2O4）和镍（Ni）与氧化石墨烯进行复合，制备了rGO/ZnFe2O4/Ni纳米杂化吸波剂。ZnFe2O4为复合材料提供了一定的磁损耗能力，而Ni纳米粒子的引入在保证材料磁损耗特性得到进一步增强的同时改善rGO、ZnFe2O4和Ni之间的协同作用。研究表明，片层结构的rGO之间很容易形成二面角，这有利于延长电磁波进入材料内部后多重散射的传播路径以及能量衰减的时间。同时具有独特类球形结构的ZnFe2O4/Ni纳米粒子可以改善界面的极化作用，而电磁波与复合材料之间的相互作用会增加导电通路的形成，加快电荷的转移速率，使得电磁波通过多重反射而被快速衰减。结果表明，rGO/ZnFe2O4/Ni吸波剂的含量是影响rGO/ZnFe2O4/Ni/石蜡复合材料吸波性能的重要因素。当rGO/ZnFe2O4/Ni与石蜡的含量比为2：3时，材料呈现出了最佳的吸波性能。该样品在4.21 GHz（C波段）时的反射损耗值为-22.57 dB，厚度为2.5 mm，并且当厚度在1.5-4.0 mm范围进行调控时，其对应的有效吸波带宽覆盖范围为3.6-10.22 GHz。 （2）通过溶剂热法制备了还原氧化石墨烯/四氧化三铁/氮化铝复合吸波剂（rGO/Fe3O4/AlN）。研究了不同的组分比例、介电材料的引入对介电/磁性材料电磁参数以及吸波性能的影响。结果发现，当Fe3O4与AlN的含量比为1：1.5时，rGO/Fe3O4/AlN复合吸波材料表现出了最佳的吸波性能。电磁波在14.24 GHz处的反射损耗达到了-59.39 dB，材料厚度为1.8 mm，并且相应的有效吸波频带范围为5.68 GHz（12.32-18 GHz）。 （3）利用油浴法并通过引入具有良好介电性的AlN与多壁碳纳米管进行复合，制备了多壁碳纳米管/氮化铝复合吸波剂（MWCNTs/AlN）。研究了对介电/介电型材料电磁参数的调控和影响吸波性能的主要因素。研究发现，在一定范围内改变多壁碳纳米管与氮化铝之间的比例，能够提升复合材料的介电损耗特性，进一步改善材料的阻抗匹配表现。引入的AlN能够在材料结构扮演“桥梁”的连接作用，并且MWCNTs/AlN复合吸波剂所形成的网络状结构也可以为材料内部电荷迁移和跳跃提供高导电网络环境，在延长电磁波在材料内部传播路径的同时，提高入射电磁波的衰减效率，进一步为复合材料吸波性能的改善作出贡献。实验结果表明，当MWCNTs在复合吸波剂中的含量为7 wt. %时（S-7），该复合吸波材料展现出了优异的吸波性能。当材料厚度为2.9 mm时，对于频率为9.12 GHz电磁波的反射损耗能够达到-47.34 dB，同时对应的有效吸波带宽范围为3.28 GHz。 （4）为了研究形貌调控对材料吸波性能的影响，利用水热法以及对退火温度的控制，制备了结构稳定的氧化锌纳米棒。根据吸波材料的损耗特性，选用具有优异磁损性能的Fe3O4纳米颗粒作为磁性损耗组分，采用最佳退火温度，制备了类花状氧化锌/四氧化三铁复合吸波剂（ZnO/Fe3O4）。研究了形貌调控以及组分比例等调控手段对材料电磁参数以及吸波性能的影响。结果表明，具有独特类花状的形貌能够极大增加并延长电磁波在ZnO纳米棒表面上出现的多重散射及传播路径，同时一定含量Fe3O4纳米颗粒与ZnO表面的复合能够显著增强复合材料的介电损耗特性和磁损耗特性，提高材料界面的极化效应，使得进入材料内部的电磁波被快速衰减和吸收。当Fe3O4的含量为11.3 wt. %且吸波剂与石蜡的比例为3:2时， ZnO/Fe3O4复合吸波材料（S-11.3）表现出了最佳的吸波性能。在材料厚度为2.7 mm时，其对9.23 GHz电磁波的最大反射损耗为-36.23 dB，，对应的有效吸波带宽覆盖范围为4.02 GHz（6.81-10.83 GHz）。 （5）选择石油沥青作为基础碳源材料，利用氯化钠作为模板，通过热处理手段制备了具有多孔结构的碳纳米片层。改变氯化钠模板与石油沥青的比例进一步对形成的孔结构进行有效调控，增强改性后碳纳米片层的介电损耗特性，并利用溶剂热法成功制备了多孔碳纳米片层/四氧化三铁复合吸波剂（PA/Fe3O4）。通过结构设计以及组分比例不同有效调控了材料的电磁参数并影响了材料的吸波性能。经过分析得知，材料结构中复杂导电网络的存在能够为电子的跳跃和迁移提供良好的空间，这对于材料导电损耗的改善是有利的。同时需要指出的是，由于石油沥青中存在大量的缺陷和杂原子，使得微波反射与界面处的自由电荷发生了相互作用从而出现了偶极极化和界面极化，这会导致由多种干扰所引起的电磁波被大量耗散。最后，Fe3O4纳米颗粒的含量在PA与Fe3O4协同效应的改善中扮演了重要角色。当复合吸波剂填充量低至20 wt. %，且碳纳米片层与Fe3O4含量比为1:1时，对应复合吸波剂（PA-Fe3O4-1）材料的最大反射损耗可以达到-68.54 dB，相应的材料厚度为1.8 mm，并且此时的有效吸波带宽覆盖范围为5.12 GHz。 本论文提出了材料的形貌、介电/介电材料的复合、介电/磁性材料的复合、组分比例等方面对于影响材料电磁参数和吸波性能的调控手段，一方面为多元复合吸波材料的设计和吸波机理的研究提供了指导思路和理论依据；另一方面对于实现吸波材料“薄、轻、宽、强”的性能要求带来了有效解决途径的同时提高了纳米复合材料尤其是碳基吸波材料在未来吸波领域得到实际应用的可行性。

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