金属硫化物复合材料的制备及其隐身性能研究

摘要

众所周知，二维纳米材料，如石墨烯、六角形氮化硼、碳氮化物和层状过渡金属硫化物，因其高比表面积和多晶现象使其拥有特殊的电子特性。在光电子学，催化，电磁屏蔽和微波吸收等领域显示出巨大应用前景。硫化铜作为最重要的半导体过渡金属硫化物之一，因其具有优异的光学、电子和其他物理化学性质。使其在二次电池、光催化剂、超级电容器和光学传感器领域得到广泛的研究。然而与其他二维材料相比，金属硫化铜的微波吸收和红外隐身性能较少见详细研究。 本文首先采用湿化学法成功制备出直径为192nm，厚度为3.2nm六边形二维硫化铜纳米片。研究了CuS纳米片的吸波性能，针对CuS纳米片在基体中较大添加量时才达到有效吸收的缺点。在此基础上将硫化铜与石墨烯、硫化锌复合分别制备了CuS/RGO、CuS/ZnS和CuS/ZnS/RGO纳米复合材料，研究了纳米复合材料的吸波性能和红外隐身性能。 （1）采用湿化学法成功制备出六边形CuS纳米片，研究了反应时间、铜盐种类、反应物比例对CuS纳米片形貌结构的影响。结果表明采用氯化亚铜为铜盐反应时间为9小时制备出形貌规整的六边形硫化铜纳米片，此CuS纳米片的直径约为192nm，厚度为3.2nm。然后测试了该CuS纳米片的复介电常数和复磁导率，研究了微波吸收性能，并探索了微波吸收机理，研究结果表明随着CuS在基体中的添加量的增加，材料的吸波性能增强。当CuS添加量为50%，厚度为3.0mm时，CuS吸波效果最好，在8.0GHz处反射损耗为-27.5dB，相应的有效吸收频宽为3.4GHz，这是因为CuS是p型半导体易形成缺陷偶极子，在交变电磁场作用下产生极化弛豫，此外CuS和石蜡之间的界面处累积的电荷在交变电磁场中引起界面极化弛豫。缺陷偶极子和界面极化弛豫使CuS能够有效吸收和衰减电磁波。 （2）首先采用原位生长法制备了CuS/RGO纳米复合材料，研究了制备工艺添加量对CuS/RGO纳米复合材料的微观形貌和结构的影响。实验结果表明，当石墨烯在纳米复合材料中添加量为20wt%时CuS纳米片能够均匀分布在石墨烯表面。吸波测试结果显示，CuS/RGO在基体中添加量都为30wt%时，石墨烯含量为20wt%的CuS/RGO纳米复合材料表现出最佳吸波效果。CuS/RGO复合材料的最佳反射损耗为-34.5dB，相应的有效吸收带宽为3.3GHz。与纯CuS纳米片相比CuS/RGO纳米复合材料不仅可以使吸波填料在基体中的添加量从50wt%降低到30wt%而且最大反射损耗从-27.5dB提高到-34.5dB。这是因为高介电性的石墨烯加入复合材料，使复合材料在底填充量下也具有良好的介电性能，并且复合材料中石墨烯与CuS纳米片之间相互作用产生了介电弛豫、界面弛豫等使其能够有效衰减电磁波。 （3）石墨烯与CuS复合可以改善纯CuS在基体中添加量大，但是石墨烯的加入并没有增加吸收频宽。为此通过简单湿化学法在CuS纳米片上长ZnS纳米颗粒，通过精确控制CuS与ZnS的比例，可以很好地调整CuS和ZnS两相之间的界面面积，实现连续双峰吸收。当CuS与ZnS摩尔比为8∶2时，CuS纳米片表面只有少量ZnS纳米颗粒附着。当CuS与ZnS摩尔比为7∶3时，CuS纳米片表面均匀包覆有ZnS颗粒，CuS/ZnS纳米复合粒子形貌结构最佳。当ZnS含量继续增多时，大部分CuS纳米片被ZnS包覆而且CuS/ZnS纳米片产生了团聚现象。选择CuS与ZnS摩尔比为7∶3的纳米复合粒子测试了其复介电常数和复磁导率，研究了微波吸收性能，研究结果表明当CuS与ZnS摩尔比为7∶3时，CuS/ZnS纳米复合粒子在基体中添加量为50wt%样品厚度为3.5mm时，CuS/ZnS纳米复合粒子分别在5.8GHz和7.3GHz处实现了双峰吸收。因为CuS中铜空位缺陷可以引起缺陷形成缺陷偶极子。ZnS的加入使CuS和ZnS之间的界面处累积的电荷在交变电磁场中引起界面极化弛豫。缺陷偶极子极化与界面极化的共同作用使CuS/ZnS纳米复合粒子实现了双峰吸收。相较于硫化铜，在相同添加量时CuS/ZnS纳米片虽然实现了双峰吸收但吸波强度减弱。并且硫化锌的加入可以降低材料的红外发射率，使复合材料具有一定的红外隐身性能。 （4）CuS表面包覆ZnS纳米粒子可使CuS/ZnS纳米复合粒子实现双峰吸收，但ZnS添加量的增加降低了CuS/ZnS纳米复合粒子的吸波强度。因此采用湿化学法制备了CuS/ZnS/RGO复合材料，在CuS/ZnS纳米复合粒子中加入石墨烯改善研CuS/ZnS纳米复合材料的吸收强度。实验究了制备工艺对CuS/ZnS/RGO纳米复合材料的微观形貌和结构的影响。研究表明，石墨烯在CuS/ZnS/RGO复合材料中的添加量为20wt%时，CuS/ZnS纳米粒子能够均匀分布在石墨烯表面。将合成的CuS/ZnS/RGO纳米复合粒子以30wt%加入基体中制备样品，当样品厚度为3.5mm时，CuS/ZnS/RGO纳米复合粒子分的最佳反射损耗为-39.1dB，相应的有效吸收带宽为4.5GHz。CuS/ZnS/RGO纳米复合粒子的吸收强度和吸收频宽都有明显提高。CuS/ZnS/RGO纳米复合粒子缺陷偶极子极化与界面极化和石墨烯对CuS/ZnS纳米复合粒子介电性能的提高纳米复合粒子吸波性能。此外还研究了硫化锌包覆量对吸波性能与红外发射率的影响。随着硫化锌含量的增加纳米复合材料的发射率降低，研究表明硫化锌的包覆有利于降低纳米复合材料的红外发射率。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 吸波机理及吸波材料的研究进展

1.2.1 微波吸收机理

1.2.2吸波材料研究进展

1.3红外微波兼容材料的机理及研究现状

1.3.1红外微波兼容隐身机理

1.3.2兼容材料研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第二章 硫化铜的制备及其吸波性能研究

2.1 引言

2.2 实验试剂和仪器

2.3 实验样品制备

2.4 样品的形貌结构表征及性能测试

2.4.1 样品的形貌与结构表征

2.4.2 吸波性能的测试

2.5 结果与讨论

2.5.1反应时间对硫化铜纳米片形貌的影响

2.5.2铜盐对硫化铜纳米片形貌的影响

2.5.3反应物浓度硫化铜纳米片形貌的影响

2.5.4硫化铜吸波机理及吸波性能分析

2.6本章小结

第三章 硫化铜/石墨烯的制备及其吸波性能研究

3.1 引言

3.2 实验试剂和仪器

3.3 实验样品制备

3.4 样品的形貌结构表征及性能测试

3.4.1 样品的形貌与结构表征

3.4.2 吸波性能的测试

3.5 结果与讨论

3.5.1 RGO含量对硫化铜/石墨烯形貌的影响

3.5.2硫化铜/石墨烯吸波机理及吸波性能分析

3.6 本章小结

第四章 硫化铜/硫化锌的制备及其隐身性能研究

4.1 引言

4.2 实验试剂和仪器

4.3 实验样品制备

4.4 样品的形貌结构表征及性能测试

4.4.1 样品的形貌与结构表征

4.4.2 隐身性能的测试

4.5 结果与讨论

4.5.1 硫化锌含量对硫化铜/硫化锌结构形貌的影响

4.5.2硫化铜/硫化锌吸波机理及吸波性能分析

4.5.3硫化铜/硫化锌红外发射率分析

4.6 本章小结

第五章 硫化铜/硫化锌/石墨烯的制备及其隐身性能研究

5.1 引言

5.2 实验试剂和仪器

5.3 实验样品制备

5.4 样品的形貌结构表征及性能测试

5.4.1 样品的形貌与结构表征

5.4.2隐身性能的测试

5.5 结果与讨论

5.5.1 石墨烯含量对硫化铜/硫化锌/石墨烯结构形貌的影响

5.5.2硫化铜/硫化锌/石墨烯吸波机理及吸波性能分析

5.5.3硫化铜/硫化锌/石墨烯红外发射率分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文及其他成果

致谢