尺寸可控铁氧体还原氧化石墨烯复合材料的制备及电磁性能研究毕业论文

 2021-04-08 09:04

摘 要

随着对电子可靠性和国防安全性的要求越来越高,轻质宽频微波吸收材料受到了越来越多的关注。钴铁氧体/还原氧化石墨烯(CFO/RGO)纳米复合材料合理组成、多孔结构以及丰富的界面有效提高了其对电磁波的吸收和衰减,可以作为一种轻质宽频微波吸收材料。

本文采用一步溶剂热法,通过调节合成条件,在氧化石墨烯片层原位生长具有可控尺寸和形貌的铁氧体,同时还原氧化石墨烯,制备出CFO/RGO纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)、振动样品磁强计(VSM)和矢量网络分析仪(VAN)等对石墨烯及CFO/RGO复合材料进行表征,并研究其电磁波吸收性能。研究结果表明:CFO纳米粒子均匀分散在石墨烯层间和表面,且三组样品的CFO多孔纳米球直径分别约为50 nm、100 nm、200 nm,CFO/RGO-50纳米复合材料表现出优异的微波吸收性能,当频率为10.9 GHz,厚度为2 mm时,复合材料有最大的反射损耗值−47.5 dB,吸收频宽达到6.9 GHz(8.9-15.8 GHz)。

关键词:CFO/RGO;电磁波吸收性能;一步溶剂热法;反射损耗

Abstract

With the increasing demand for electronic reliability and national defense security, broadband and lightweight microwave absorbing materials have attracted more and more attention. Ferrites/graphene porous composites with abundant interfaces are potential high-performance absorbers owing to their balanced attenuation ability and impedance matching.

In this paper, CoFe2O4/reduced graphene oxide (CFO/RGO) nanocomposites were prepared by one-step solvothermal method with the in-situ growth of ferrites with controllable size and morphology in graphene oxide lamellae and original graphene oxide by adjusting synthesis conditions. CFO/RGO composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman, vibration sample magnetometer (VSM) and vector network analyzer (VAN), and their electromagnetic wave absorption properties were studied. The results show that CFO nanoparticles are uniformLy dispersed between graphene layers and on the surface of graphene. The diameter of CoFe2O4 porous nanospheres of three groups of samples is about 50, 100 and 200 nm, respectively. Especially, CFO/RGO-50 nanocomposites exhibit excellent microwave absorption properties. The maximum reflection loss (RL) can reach −47.5 dB (10.9 GHz) and the ultra-wide effective absorption band is 6.9 GHz with the thickness of 2.0 mm.

Key Words:CoFe2O4/RGO;broadband microwave absorption;one-step solvothermal method;reflection loss

目 录

第1章 绪论 1

1.1 吸波材料的工作原理 1

1.2 石墨烯 2

1.2.1 石墨烯的性质及应用 2

1.1.2 氧化石墨烯的性质及制备 3

1.2.3 石墨烯复合材料的研究现状 4

1.3 铁氧体 6

1.3.1 铁氧体的性质及应用 6

1.3.2 铁氧体的研究现状 6

1.4 本论文的研究目的和主要内容 7

第2章 实验部分 9

2.1 实验药品 9

2.2 实验设备 10

2.3 实验制备 10

2.3.1 Hummers法制备氧化石墨烯(GO) 10

2.3.2 制备尺寸可控铁氧体/还原氧化石墨烯复合材料 11

2.4 样品表征 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 形貌与结构分析 12

3.2 磁性研究 14

3.3 吸波性能 15

第4章 结论 19

参考文献 20

致 谢 23

第1章 绪论

随着科学技术的快速发展,电磁波技术已经渗入到人们生活的各方各面。例如,电磁波与日常生活中的手机、电视、无线通讯等电子设备联系密切;人们利用电磁波的热效应,便利了农业生活;在医疗保健、工业探测等领域则广泛利用了电磁波的传播特性。在国防安全领域,军用雷达的工作原理是发射电磁波,通过由被探测军事设备反射的电磁波来锁定目标方位,然后对其进行追踪、定位、敌我识别[1]

但是,随着各类电子设备和电子通讯等电磁应用井喷式增长,电磁干扰和污染已成为日益严重且不容忽视的问题。研究表明,过多的电磁辐射会对人体健康产生一定程度的伤害,同时,电磁干扰也可能给电子通讯、航天事业和军事设备等的正常工作带来一定影响,甚至造成严重后果。此外,现代军事技术在不断发展,因而对军事隐身的要求也变得越来越高[2]

因此,吸波材料在电子稳定、医疗保健、国防安全等领域发挥着越来越重要的作用。例如,在卫星等新兴高速通信设备中使用的吸波材料可以通过抑制噪声来提高接收器的信号质量,雷达站和中继站的吸波材料可以保护内部工人免受高功率微波的过量暴露。研究性能高的吸波材料在航空航天、汽车和微型电子产品等领域受到了越来越多的关注,且具有广阔的应用前景。

传统只有单一损耗的材料由于阻抗失配和损耗机制的限制,不能表现出较强的宽带微波吸收特性,已经难以满足实际需要。而磁性/介电复合材料在结构精细、界面丰富的基础上,可以同时表现出匹配的阻抗和较强的衰减能力。因此,开发具有磁损耗和介电损耗的多种损耗形式复合材料已经成为制造高性能新型微波吸收材料的有效方法。

    1. 吸波材料的工作原理

图1.1 吸波材料的工作示意图[3]

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