碳纳米复合材料在电磁屏蔽中的应用

电磁屏蔽材料对电磁波的屏蔽作用机理分为吸收和反射。本文所研究的材料为碳纳米材料及其与铁氧体材料的复合材料，碳材料属于良好的电阻型吸收剂，铁氧体属于磁介质型吸收剂，两者复合能更大的符合现代新型吸波剂向着频带宽，密度低，吸收高的性能发展要求。碳纳米材料包括碳纳米管和石墨烯表现出的巨大优异性质，能够结合传统碳材料频带宽，质量轻的特点，又能将纳米材料比表面积大，导电率好等优势发挥出来，但吸波能力较弱，限制了其应用。而相比较CNT和石墨烯材料，Fe3O4的吸波能力更强，但吸波频带较窄，将其与碳材料复合，发挥两类材料的特点，具有重要的意义。本文中主要讨论了CNT，石墨烯，Fe3O4及其复合材料的制备，优化制备参数，并利用TEM、SEM、XRD、Raman、TGA等对材料的形貌，结构，成分进行分析。利用VSM、VAN测试材料的磁学性能及吸波性能。主要内容如下:
　　1)利用Hummers法制备高比表面积的氧化石墨烯(GO)，改进洗涤工艺，缩短了实验过程，利用冷冻干燥法制得GO粉末。采用浮动催化法制备了CNT，探究不同碳源、催化剂、气体流量、进液速度对CNT质量的影响，确定了批量制备CNT的优化参数。利用二甲苯为碳源，可以得到较高质量的CNT，但二甲苯有一定的毒性，且制备的CNT容易粘在石英管壁上不利于成膜;利用酒精为碳源，可制得高质量CNT，克服了二甲苯粘度大的缺点，成膜性能较好。确定了催化剂中二茂铁和噻吩的比例范围3.5/1～2.5/1，确定气流量比例Ar气流量为5L/min，H2为2L/min，进液速度为0.08ml/min。此法制得单壁CNT，管径为20nm。
　　2)以聚乙二醇(PEG)为分散剂，以乙二醇为还原剂，在醋酸钠提供的碱性环境下，采用水热法将氯化铁还原制备Fe3O4纳米球，得到均匀实心球体。在反应溶液中添加GO的方式，制得了Fe3O4纳米球/GO复合物，Fe3O4纳米球均匀的负载在GO片的表面，GO对Fe3O4纳米球的生长大小没有影响，只是提供形核场所。磁性能测试发现Fe3O4纳米球/GO复合物的磁饱和强度为28.7emu/g，磁滞回线较窄，为软磁材料。对Fe3O4纳米球/GO复合物的在2～18GHz的吸波特性进行表征，发现复合物在石蜡中含量为20％时在13.5GHz频率下最高反射损耗为-13dB，30％含量的复合物反射损耗在8.5GHz时最高为-19dB。将复合材料分散在环氧树脂中，利用刷涂法制备Fe3O4/GO@CNT@碳纤维布的四元材料，测试其在10MHz～2GHz内的吸波特性进行表征，在280MHz频率的电磁损耗达到峰值-45dB。对比不加入Fe3O4/GO复合物和单纯的碳纤维布的反射损耗-37dB和-32dB，发现Fe3O4/GO复合物能够提高电磁损耗，但相比于纯碳材料，其损耗峰值位置发生变化。
　　3)以硫代硫酸钠为氧化剂，在氢氧化钠提供的碱性环境中，利用PEG400为模板剂，采用水热法制备Fe3O4纳米线，得到直径为100nm的均匀线体。不添加PEG400，仅以水溶液作为反应剂，得到的是晶粒尺寸为200nm的八面体结构的Fe3O4。在水溶剂中添加一定量的GO代替PEG400，同样得到纳米线结构的Fe3O4，证明GO具有类似于PEG400作为模板剂的作用，同时得到了Fe3O4纳米线/GO复合材料。GO在合成Fe3O4纳米线主要起两个作用，一是GO的片层结构均匀分散在水溶液中，降低了离子的结合速度，第二是GO表面的-OH等官能团对Fe3O4纳米线的不同晶面的生长有不同的影响。对Fe3O4纳米线/GO复合物的磁性能测试发现其磁饱和强度为37emu/g，磁滞回线较Fe3O4纳米球/GO复合物宽，但同为软磁材料。对Fe3O4纳米线/GO复合物的在2～18GHz的吸波特性进行表征，发现复合物在石蜡中含量为20％、30％时，他们的最高反射损耗分别为-9dB和-7dB，40％含量的复合物反射损耗在6.8GHz时最高为-17dB。