基于聚苯乙烯微球模板的电磁防护材料制备与性能研究

摘要

随着时代的进步，电磁波的辐射和污染日益严重，成为人们密切关注的问题，人们对微波吸收材料和电磁屏蔽材料的需求急迫。铁磁类吸波材料由于自身价格低廉，吸收、衰减微波能力强，经常被用于雷达吸波材料领域，但是这类吸波剂也存在不可避免的缺点，比如自身密度大，有效带宽窄等。为了改变这些缺点，采用缓冲溶液法将磁性材料纳米化，空心化，制备一种“轻”，“薄”，“宽”，“强”的磁性空心球吸波材料。三维石墨烯纳米结构因其质轻、多孔、大比表面积和优异的导电/导热性能，在电磁屏蔽、微波吸收等领域引起了人们的广泛关注。目前，三维石墨烯内部泡孔尺度通常较大（几十至几百微米），因此在获得相应导电性能的同时，却难以同时承受较大载荷。为此，采用聚苯乙烯(PS)模板法和室温干燥法，制备了具有内部连续导电网络的高密度三维石墨烯，这种三维石墨烯具有优异的导电性和电磁屏蔽性能。主要研究内容如下:
　　(1)通过缓冲溶液包覆法成功制备了(SPS@Fe(OH)3)核壳结构材料:形成均匀的金属氧化物壳层是制备核壳材料的难题，在本实验中采用缓冲溶液法，使Fe3+生长和成核的动力学达到平衡，成功实现了纳米级厚度Fe(OH)3壳层在聚苯乙烯微球表面的均匀包覆，并且能够调整Fe(OH)3包覆量。这种缓冲溶液法同样适用于包覆氧化石墨烯(GO)和酚醛树脂微球。
　　(2)制备空心铁包覆碳微球(Hollow Fe@C)并探究其吸波性能:制备高效轻便的吸波材料仍是现在的科研难题。本实验中，制备了一种双层壳碳包覆铁的空心球吸波材料，将包覆了聚多巴胺(PDA)的SPS@Fe(OH)3微球进行退火处理，由于碳层的保护使得到的微球空心结构完善，形貌规整，且由于无定型碳的还原使Fe3+转变为Fe，成功制备出磁性空心球，空心的结构有效降低了材料的密度，并且碳层和磁层的具有协同损耗作用，当改变Hollow Fe@C的碳层包覆厚度和磁层包覆量时，发现当PDA包覆时间为3h，Fe2(SO4)3和SPS的初始投料比为0.8∶1时，Hollow Fe@C的吸波性能最佳，最低反射损耗（RLmin）能够达到-45.7dB，带宽达到8.1GHz，较空心碳球的RLmin和有效带宽提高了168％和87％。
　　(3)高导电/电磁屏蔽效能三维石墨烯(RGM)的制备:宏观三维(3D)石墨烯由于其轻质多孔结构和优异的导电/热性能受到广泛关注。然而，通常报道的3D石墨烯孔径较大，使其难以构建完善的导电网络。因此，报道了一种用PS微球体作为模板通过水热反应和随后的热烘干法来构建3D石墨烯纳米结构。得到的密度为0.146g cm-3的RGM与石蜡复合之后显示出高达343.7S/m的电导率和在X波段57.1dB的优异电磁屏蔽性能。这种良好的导电和电磁屏蔽性能与内部纳米球形孔道结构相关，制得的新型电磁屏蔽材料在军工方面具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 微波吸收材料的概述

1．1．1 电阻损耗型吸波剂

1．1．2 介电损耗型吸波剂

1．1．3 磁介质型吸波剂

1．2 电磁屏蔽材料的概述

1．2．1 碳系电磁屏蔽材料

1．2．2 金属系电磁屏蔽材料

1．2．3 导电聚合物电磁屏蔽材料

1．3 电磁波的危害及屏蔽原理

1．3．1 电磁波的污染及对人体和环境的危害

1．3．2 电磁波的屏蔽原理

1．4 空心球的制备方法及吸波方向的应用

1．4．1 空心结构的制备方法

1．4．2 空心结构在吸波方向的应用

1．5 三维石墨烯的制备及其电磁屏蔽方向的应用

1．5．1 三维石墨烯的制备方法

1．5．2 三维石墨烯在电磁屏蔽方向的应用

1．6 本论文的研究目的、意义和主要研究内容

1．6．1 本论文的研究目的和意义

1．6．2 本论文的主要研究内容

第二章 实现可控铁层包覆的研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 主要实验原料和实验仪器

2．2．2 测试设备

2．3 样品的制备

2．3．1 球形模板聚苯乙烯的制备

2．3．2 聚苯乙烯的磺化

2．3．3 缓冲溶液法制备SPS@Fe(OH)3核壳结构材料

2．3．4 缓冲溶液法包覆其他材料

2．4 结果与讨论

2．4．1 PS与SPS的制备

2．4．2 缓冲溶液法包覆均匀Fe(OH)3纳米层的研究

2．5 本章小结

第三章 Fe@C双层壳空心球的制备及其性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 主要原料和实验仪器

3．2．2 测试设备

3．3 样品的制备

3．3．1 空心碳球的制备

3．3．4 不同磁层包覆厚度的空心Fe@C的制备

3．3．5 不同碳层包覆厚度的空心Fe@C的制备

3．4．1 碳层的包覆对空心形貌的影响

3．4．2 空心Fe@C的吸波性能研究

3．4．3 不同碳包覆厚度的空心Fe@C的表征及其性能研究

3．4．4 不同铁纳米颗粒包覆量的空心Fe@C的表征及其性能研究

3．5 本章小结

第四章 三维石墨烯纳米结构的制备与电磁屏蔽性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 主要原料和实验仪器

4．2．2 测试仪器

4．3 样品的制备

4．3．1 制备不同粒径PS微球

4．3．2 PS-RGM复合材料的制备

4．3．3 RGM的制备

4．3．4 电磁屏蔽样品制备

4．4 结果与讨论

4．4．1 不同粒径PS的制备

4．4．2 RGM的制备

4．4．3 RGM电磁屏蔽性能研究

4．5 本章小结

第五章 结论部分

参考文献

致谢

研究成果和发表的学术论文

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