氮掺杂石墨烯/磁性纳米晶复合材料的制备及其微波吸收特性研究

摘要

石墨烯作为当今世界上最轻的二维材料，它拥有诸多的物理特性，如质量轻、比表面积大、介电常数高等。这些独特的物理性质使石墨烯材料在超级电容器、燃料电池和吸波材料等领域有着巨大的潜在应用。近几年，石墨烯材料在吸波领域的研究备受关注，为了满足新型吸波材料“质量轻、厚度薄、吸收频带宽、吸收强”的要求，本文主要工作是将磁性纳米颗粒负载在氮掺杂石墨烯结构上，来提高复合材料的介电损耗和磁损耗能力，同时通过掺杂氮的方式调节石墨烯的复介电常数，使复合材料达到较好的阻抗匹配条件，增强复合材料的微波吸收性能。本文对氮掺杂石墨烯、氮掺杂石墨烯/四氧化三铁复合材料和氮掺杂石墨烯/铁镍合金复合材料的制备和吸波性能进行了研究。
　　(1)氮掺杂石墨烯(N-GN)材料的制各及其微波吸收性能
　　本文采用简单的溶剂热成功制备出了轻质的氮掺杂石墨烯材料，并对材料的形貌特征、晶体结构、化学成分和元素态等进行了系统的表征。研究表明，氮掺杂石墨烯与氧化石墨烯都是透明、褶皱的片层结构。与氧化石墨烯相比，氮掺杂石墨烯边缘的卷曲褶皱现象明显增强，这主要是由于氮原子的掺入导致石墨晶格的缺陷增多所致。微波吸收结果证明，质量分数为30％的氮掺杂石墨烯材料在厚度为3.5mm时，在6.0GHz处的最大反射损耗值可以达到-34.8dB。厚度在1.5-5.0mm时，其有效吸收带宽(RL＜-10dB)可达到14.6GHz(3.4-18GHz)。
　　(2)氮掺杂石墨烯，四氧化三铁(N-GN/Fe3O4)复合材料的制备及其微波吸收性能
　　本文采用简单的溶剂热制备出氮掺杂石墨烯/四氧化三铁复合材料并研究了其微波吸收性能。利用TEM对复合材料的形貌特征、粒子分散、粒径大小进行了表征，采用XRD、SAED、HRTEM等对其晶体结构进行了分析，利用拉曼光谱对氮掺杂石墨烯的缺陷进行了分析，采用XPS对复合材料的表面化学成分和元素态进行了表征，通过VSM对复合材料的磁性进行了研究，利用矢量网络分析仪对材料的电磁参数进行了测试。研究表明，在氮掺杂石墨烯/四氧化三铁复合材料中，四氧化三铁纳米颗粒相对均匀地分散在氮掺杂石墨烯片层结构上。微波吸收特性表明，相比于单独Fe3O4纳米颗粒材料，N-GN/Fe3O4复合材料表现出了增强的微波吸收性能。复合材料在厚度为3.4mm时，频率在6.8GHz处的最大反射损耗值可以达到-65.3dB;在厚度为1.5-5.0mm范围内，有效吸收带宽(RL＜-10dB)可达到14.5GHz(3.5-18GHz)。
　　(3)氮掺杂石墨烯，铁镍合金(N-GN/FeNi3)复合材料的制备及其微波吸收性能
　　本文采用简单的溶剂热制备出了氮掺杂石墨烯/铁镍合金复合材料。通过TEM、STEM、XRD、Raman、XPS对样品进行了系统的分析表征，利用VSM对复合材料的磁性进行了研究，通过矢量网络分析仪对材料的电磁参数进行了测量。研究发现，在氮掺杂石墨烯/铁镍合金复合材料中，FeNi3纳米颗粒是球形的、多孔的纳米结构，且相对均匀地分散在了氮掺杂石墨烯片层结构上。吸波研究表明，结合FeNi3合金纳米颗粒较强的磁损耗能力和轻质N-GN高的介电损耗能力，复合材料的微波吸收性能大大增强。复合材料在厚度仅为1.9mm时，频率在12.8GHz处的最大反射损耗值可达到-68.6dB;在厚度为1.5-5.0mm范围内，有效吸收带宽(RL＜-10dB)可达到14.7GHz(3.3-18GHz)。
　　综上所述，本文采用简单的溶剂热制备出N-GN材料、N-GN/Fe3O4和N-GN/FeNi3复合材料。研究表明，氮元素掺入石墨烯结构中，一方面使石墨烯缺陷增多，提高了材料的电损耗能力;另一方面调节石墨烯的介电常数，使复合材料能更好地满足阻抗匹配条件;同时结合N-GN和磁性纳米晶间的协同效应和界面效应，从而极大地增强复合材料的微波吸收性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微波吸收材料概述

1．1．1 微波吸收材料发展简介

1．1．2 微波吸收材料的分类

1．1．3 微波吸收材料的吸收机理

1．1．4 石墨烯基吸波材料的简介

1．2 本课题研究目的和意义

第二章 氮掺杂石墨烯材料的制备及其吸波性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果和讨论

2．3．1 氧化石墨烯的XRD表征

2．3．2 氧化石墨烯的形貌表征

2．3．3 氮掺杂石墨稀的XRD表征

2．3．4 氮掺杂石墨烯的形貌表征

2．3．5 氮掺杂石墨烯的XPS表征

2．3．6 氮掺杂石墨烯材料的微波吸收特性研究

2．3．7 本章小结

第三章 氮掺杂石墨稀／四氧化三铁复合材料的制备及其吸波性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验方法

3．3 结果和讨论

3．3．1 氮掺杂石墨烯／四氧化三铁的复合材料XRD表征

3．3．2 氮掺杂石墨烯／四氧化三铁的复合材料的形貌表征

3．3．3 氮掺杂石墨烯／四氧化三铁复合材料的拉曼表征

3．3．4 氮掺杂石墨烯／四氧化三铁复合材料的XPS表征

3．3．5 氦掺杂石墨烯／四氧化三铁复合材料的VSM表征

3．3．6 氮掺杂石墨烯／四氧化三铁复合材料的微波吸收特性研究

3．3．7 本章小结

第四章 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的制备及其吸波性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂和仪器

4．2．2 实验方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的XRD表征

4．3．2 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的形貌表征

4．3．3 氦掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的拉曼表征

4．3．4 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的XPS表征

4．3．5 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的VSM表征

4．3．6 氮掺杂石墨烯／铁镍合金复合材料的微波吸波特性研究

4．3．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢