[发明专利]一种石墨烯基三元复合吸波材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波吸收技术领域，具体涉及一种石墨烯基三元复合吸波材料及其制备方法。

背景技术

随着雷达、微波通信技术的发展，特别是无线通讯工具、互联网络和其他通信设备在千兆赫兹范围中的使用，人们对电磁干扰和电磁兼容的关注日益上升。因此，研究具有高吸收能力和宽频带吸收的电磁波屏蔽材料的需求日趋迫切。目前，吸波材料不但广泛应用于军事雷达隐身领域，而且在民用领域也有很多的应用，如微波暗室材料，微波衰减元器件、电磁兼容、微波成型加工技术等。

进入二十一世纪，随着科技的进步与创新，以及军事战略需求的不断提高，要求新型的吸波材料具有“薄、轻、宽、强”的特点。而传统的单一吸波材料（铁氧体、碳系材料、超细磁性金属粉末、陶瓷材料等）虽然吸波能力强，但密度一般较大或者吸收频带比较窄，不能满足使用需求。目前研究的主要方向是将不同吸波频段的材料复合，制备二元或多元新型复合吸波材料而达到宽频吸收的目的。因此研究和制备新型吸波材料吸收电磁波，对于减少电磁辐射、改善人类生活条件和提高国家军事实力，具有非常重要的意义。

羰基铁属于磁性金属吸波材料，在微波频段由于具有磁导率较高、磁导率实部、虚部频散特性好，在低匹配厚度条件下可以得到较强的吸波性能而被广泛使用。其主要依靠磁滞损耗、涡流损耗、畴壁共振等机制来衰减和吸收电磁波。一般可通过改变磁性金属结构（片状、纤维长径比、针状晶须）调节其磁导率及介电常数，在宽频范围内对微波实现高吸收，但同时也存在一些缺点，如电导率高、耐腐蚀能力低、密度大等。因此，利用绝缘材料（如SiO₂、TiO₂）包覆羰基铁磁性材料制备出核壳结构复合吸波材料。通过降低其介电常数，提高阻抗匹配特性，可进一步提高吸波性能。

石墨烯作为一种新型碳材料，独特的单层结构使其具有有别于其他碳材料的特殊的物理化学性质，为研究新型碳基电磁波吸收材料带来了新的机遇和挑战。其具有质轻、比表面积大、导电性好和介电常数高等优异的性质，在电磁吸波领域具有潜在的应用价值。化学法制备的石墨烯表面存在大量缺陷（包括边缘态、拓扑缺陷、空穴等）和残留的含氧官能团，能够产生费米能级的局域化态；同时石墨烯片层上曝露在外的化学键能在电磁场作用下发生外层电子的极化弛豫，从而吸收和衰减电磁波。与其他碳材料一样，石墨烯作为电磁波吸收材料最大的缺点是不具有磁性及磁损耗，但是石墨烯巨大的比表面积为其进行功能化复合提供了无限可能。

发明内容

为了克服传统的单一吸波材料与现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯基三元复合吸波材料，该复合吸波材料吸波性能优越，吸波强度高、吸波频带宽、密度较小；还具备可调控性，通过调节包覆层SiO₂厚度、石墨烯与包覆核壳复合微粒的质量比以及三元复合材料的厚度实现不同频率下的强吸波。

本发明的另一目的在于提供一种石墨烯基三元复合吸波材料的制备方法，该制备方法制备过程简单，使用设备较少，反应时间短，绿色环保，无污染，可以实现规模生产。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种石墨基三元复合吸波材料，所述石墨烯基三元复合吸波材料由二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒负载到石墨烯片层中均匀复合而成，

优选的，所述二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒的内部是羰基铁微米颗粒，外部包覆一层厚度均匀的二氧化硅，厚度为10-75nm。

优选的，所述二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒与所述石墨烯复合的重量比为10-20：1-2。本发明通过将二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒与石墨烯复合的重量比控制在10-20：1-2，使得二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒成功负载到石墨烯片层中，制得的三元复合吸波材料具有优异的吸波性能。

优选的，所述述羰基铁微米颗粒为球状羰基铁（直径为0.5-5μm）和/或片状羰基铁（面积在1-25μm²、厚度在20-30nm）。一般可通过改变磁性金属羰基铁的结构（如片状、球状等），来调节其磁导率及介电常数，利用其高磁损耗，实现在宽频范围内对微波的强吸收。片状羰基铁由于其磁各向异性，其磁导率明显优于球状羰基铁，具有更高的磁损耗，吸波性能优于球状羰基铁。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种石墨烯基三元复合吸波材料的制备方法，先利用溶胶凝胶法制备出二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒，然后利用改进Hummers法制备出氧化石墨，再将氧化石墨均匀分散于二氧化硅包覆羰基铁核壳复合微粒分散液中，最后利用超声还原法将氧化石墨还原成石墨烯，制得石墨烯基三元复合吸波材料。