石墨烯基纳米复合材料的制备及其辐射性能研究

摘要

石墨烯作为新型二维纳米材料，因其优异的热力学、电磁学等性能，在光电、生化、航空航天等领域展现出巨大的应用潜能。石墨烯具有高电子迁移率和高热导率，可通过价带跃迁和晶格振动等加速能量转化，从而调节目标表面红外发射率降至理想值。同时，石墨烯内部的π电子共轭可加剧电子的迁移和光电转化，从而加大对微波的吸收和电磁转化，达到微波吸收的效果。此外，石墨烯可通过表面基团修饰及原位组装等方法，制备满足不同应用需求的复合纳米材料。 本文通过氧化天然石墨制备石墨烯，采用原位还原制备石墨烯/金(rGO/Au)，利用微波反应法制备氮化硼量子点(BNQDs)，层层自组装制备3D结构的石墨烯/氮化硼量子点(3D-G/BNQDs)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外－可见吸收光谱(UV-vis)、荧光发射光谱(PL)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征方法，对产品的微观结构、化学组成及光学性能进行表征分析，同时测定了产品的红外发射率(8~14μm)及微波吸收性能(2~18GHz)，得到以下结论： 1.石墨烯/金(rGO/Au)的合成及表征 通过氧化天然石墨粉制备氧化石墨烯，加入氯金酸(HAuCl4)，用柠檬酸钠原位还原制备石墨烯/金(rGO/Au)。考察还原剂的剂量及反应时间对纳米金粒径的控制及其在石墨烯表面的分布情况，从而调控产品的红外发射率和微波吸收率。氧化石墨烯的比表面积较大，在其表面含有大量活性基团，易于纳米金的组装复合。研究表明产品的红外发射率(8~14μm)为0.618，微波吸收(2~18GHz)的最大反射损耗为-19.2dB，有效吸收带宽为8.1GHz，优于石墨烯自身的吸波性能，高反射性能的金属Au的引入有效降低了复合物的红外发射率。 2.氮化硼量子点(BNQDs)的合成及表征 利用微波反应法制备单分散的氮化硼量子点，并通过反应温度和时间调控量子点粒径和荧光量子产率。氮化硼是具有宽禁带(6.4eV)的新型类石墨烯二维纳米材料，因其独特的结构和电子排布，使其具有优异的光电性能。相较于传统的水热法，微波反应法可提供高效稳定的能量输入，制备的产品尺寸均一，荧光量子产率高。BN量子点的吸波性能优于BN纳米片及其他碳材料，主要归因于BN量子点的量子限域效应，电子转移驰豫及高热导率，同时BN质量轻密度小，环保无毒，易于制备膜材料，因此BN量子点是极具潜力的吸波材料。 3.3D石墨烯/氮化硼量子点(3D-G/BNQDs)的合成及表征 通过对石墨烯进行表面改性后，与微波反应法制备的氮化硼量子点通过层层自组装制备得到3D-G/BNQDs，通过量子点尺寸来调控复合物的层间距，调节层数和层间距等结构参数，使辐射波吸收或频移过程可控，从多方面实现材料-结构-功能的有效协同。石墨烯比表面积大，表面改性后易于量子点的组装，石墨烯与氮化硼结构相似，复合可增强其协同效应，3D结构可以成倍增大材料比表面积，易于提高材料内部界面极化，增大层间反射损耗，以达到红外低发射和微波高吸收的要求，是理想的红外微波兼容吸波材料。3D-G/BNQDs的红外发射率(8~14μm)低至0.608，在2~18GHz的频率范围内展现出优异的吸波性能，其最大反射损耗为-26.2dB，有效吸收带宽为8.0GHz。与传统的铁磁性微波吸收材料相比，3D-G/BNQDs具有吸收带宽大，密度小，绿色环保不易氧化腐蚀等优点，能够满足吸波材料领域的不同应用需求。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

第一章 绪 论

1.1 石墨烯及其复合材料

1.1.1 石墨烯及其制备方法

1.1.2 石墨烯基纳米复合材料

1.1.3 石墨烯及其复合材料的应用

1.2 红外微波兼容材料

1.2.1 红外隐身原理

1.2.2 微波吸收原理

1.2.3 红外微波兼容材料

1.3 课题研究目的和内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容和思路

第二章 石墨烯/金的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料

2.2.2 表征

2.2.3 氧化石墨烯的制备

2.2.5 石墨烯/金(rGO/Au)的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 形貌分析

2.3.2 红外光谱分析

2.3.3 拉曼光谱分析

2.3.4 结晶性分析

2.3.5 红外发射率分析

2.3.6 微波吸收性能分析

2.4 小结

第三章 氮化硼量子点的制备及其性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料

3.2.2 表征

3.2.3 氮化硼量子点(BNQDs)的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 形貌分析

3.3.2 结晶性分析

3.3.3 红外光谱分析

3.3.4 拉曼光谱分析

3.3.5 X射线电子能谱分析

3.3.6 光学性能分析

3.3.7 反应条件对BN量子点的影响

3.3.8 红外发射率分析

3.3.9 微波吸收性能分析

3.4 小结

第四章 石墨烯/BN量子点自组装材料(3D-G/BNQDs)的制备及其性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料

4.2.2 表征

4.2.3 3D石墨烯/BN量子点(3D-G/BNQDs)的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 形貌分析

4.3.2 结晶性分析

4.3.3 红外光谱分析

4.3.4 拉曼光谱分析

4.3.5 X射线能谱分析

4.3.6 光学性能分析

4.3.7 红外发射率分析

4.3.8 微波吸收性能分析

4.4 小结

第五章 总 结

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文