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书书书!第!卷!第#期!!化!工!学!报!!!!!!!$%&’!!(%’#!)*+,年#月!!-./0-!1%2345&!!!12&6!)*+,####研究论文氧化石墨烯对!#$多孔陶瓷吸波性能的影响张国英+!梁文阁)!+浙江商业职业技术学院浙江杭州,+**7,#)山西省焦炭集团公司山西太原*,**)$摘要%采用颗粒堆积法以石英砂为骨料甲基纤维素为黏结剂干压成型后在+,**8保温+9烧结制备得到0:;)多孔陶瓷样品&通过对样品吸波性能的测试发现样品的吸波带较宽达到=?反射率约@,AB&经过浸渍氧化石墨烯后样品的吸波性能发生较大改变&在氧化石墨烯质量分数为*’**C时由于氧化石墨烯的涡流损耗样品的吸波性能较纯0:;)多孔陶瓷样品的吸波性能提高#7C反射率达到@7AB&过量的氧化石墨烯使多孔陶瓷样品呈现出对电磁波的全反射&关键词%石英砂#多孔陶瓷#吸波性能#石墨烯%#&%+*’,!’D’:EE4’*,FG++7#’)*+,’*#’*7)中图分类号%HI*)F!!!!!!!文献标志码%J文章编号%*,F@++7#!)*+,$*#@)!!@*7’(()*+,-(./012)3)-45)-3)6)*+/-70.3)+*809)0:,-/1+-31/-1)/+),-(1-/-;,,6*0*)/07*=?@@;-A3.B!C&?@D)3.)$!+!#$%&’()*+%’#++,-..#(#/&’(0-*,+**7,!#$%&’(,%’&#)1&’2%,-3#45-*6,-76&’89&%8*&’*,**)1&’2%,%’&$:,+/0*+%JK53L:M&NK5MO:4PQNL9%AR5EANSN&%KNAL%K3NK53NK%3%2EE:&:M5MN35Q:ME5PP3NP5LNAT6E:4LN3:4PE:&:M5K%RAN3R:L9QNL96&MN&&2&%EN5ET:4A:4P5PN4L5L+,**8U%3+9’H9N3NE2&L%UN&NML3%Q5P4NL:MR5SN5TE%3KL:%4E9%RNA%TS:%2EN&NML3%Q5P4NL:MR5SN5TE%3KL:%4K3%KN3L:NER:L95T54AR:AL9%U=?54A@,AB3NU&NML:S:L6’H9NN&NML3%Q5P4NL:MR5SN5TE%3KL:%4K3%KN3L:NEM954PNA5ULN3P35K9N4N%V:AN!=;$&56N3ERN3N:4M%3K%35LNA:4L%L9NE5QK&NE’W9N4L9NQ5EEU35ML:%4%UP35K9N4N%V:AN:QK3NP45LNAE5QK&NER5E*’**C54:4M3N5EN%U#7C:45TE%3KL:%4R5E%TEN3SNAR:L9L9NP3N5LNEL3NU&NML:S:L6%U@7AB’H9NNAA6M233N4LA5QK:4PM52ENAT6L9NEN=;&56N3ER5E3NEK%4E:T&NU%3L9NN4954MNA5TE%3KL:%4NUU:M:N4M6’W9:&NNVMNEE=;Q5ANL9NK%3%2EE5QK&NL%TN53NU&NML%3U%3:4M:AN4LR5SNE’E)A8-/5,%E:&:M5#K%3%2EMN35Q:M#N&NML3%Q5P4NL:MR5SN5TE%3KL:%4K3%KN3L:NE#P35K9N4N!!)*+,@*@*+收到初稿)*+,@*@+F收到修改稿&联系人及第一作者%张国英!+!#($女副教授&!引!言随着科学技术的飞速发展各种电子设备与人们的生活息息相关&随之而来的电磁污染已经成为目前主要的污染源&电磁污染不仅容易干扰电子设!!F)*)9)550+)%)*+,@*@*+’G-//),1-353.0;+2-/%XJ(==2%6:4P?P6:4P!)!,’4NL!备同时对人体也会造成伤害&吸波材料能够吸收)衰减电磁波能量并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失*+G,+&因此吸波材料的研究引起了广泛的关注&吸波材料既可以单独使用也可以和屏蔽体系配合在电磁辐射防护和军事隐身等方面都有着重要的应用*G!+&目前常用的吸波材料用的电磁波频段范围一般从*’#)*=?&吸波材料按照结构可以分成涂层型)板材型和结构型#从吸波机理上可以分成电吸收型和磁吸收型#从机理上可以分为吸收型)干涉型和谐振型等吸波结构*#+&常见的吸波材料有铁氧体吸波材料)导电高聚物)多晶铁纤维吸波材料)纳米吸波材料等&人们对吸波材料不仅要求其具有较高的吸收性能更提出了厚度薄)质量轻)吸波频谱宽)材料强度高的新要求而现有的材料很难同时满足这些要求&因此研制轻质高效的电磁波吸收材料就显得十分重要*FG+,+&研究表明多孔材料具有体积密度小)相对质量轻)比表面积大)阻尼性能好等特点有助于对电磁波的吸收而多孔材料的最大特点就是轻质&这是当前交通)建筑)航空航天等众多领域所需求的*+G+!+&0:;)陶瓷多孔材料是一种以石英砂为骨料与黏结剂复合压制成型再经高温烧结而成的多孔材料其中的石英砂是一种坚硬)耐磨)化学性能稳定的硅酸盐矿物其主要成分是0:;)&由于0:;)具有较高的稳定性金属对0:;)表面修饰形成的纳米材料具有良好的吸波特性*+#G+F+&但是利用非金属改良其表面特性在吸波方面的研究相对较少&石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料是已知材料中最薄的一种&具有密度小)硬度大)电子迁移快)电导率高)热稳定性好等特点具有广泛的应用前景是目前研究的热点&由于石墨烯表面具有一定的缺陷所以石墨烯片层容易层叠形成多层复合结构使入射的电磁波的传播距离和反射次数增加导致电磁波进入材料内部后被损耗&目前已有报道石墨烯在吸波领域有一定的应用*+G)++&本文首先以高纯度石英砂为原料选取甲基纤维素为黏结剂制备成孔隙率高)体积密度低和强度较好的多孔陶瓷材料&随后进一步研究了这种多孔陶瓷材料通过浸渍复合不同质量的氧化石墨烯后的吸波性能探讨氧化石墨烯对0:;)多孔陶瓷体吸波性能的影响&+!实验内容BHB!主要原料和仪器石英砂!海南产),#Q0:;)含量为C$#甲基纤维素!百灵威科技有限公司质量分数为)’7C$#氧化石墨烯水溶液!南京先丰纳米材料科技有限公司质量分数为*’*+C$#鼓风烘箱!Y=G*77J$#程序控温炉!Z0G)’7G+)$&BH$!实验方法+’)’+!0:;)多孔陶瓷制备!向石英砂中加入一定量的黏结剂甲基纤维素干压成型单位压力为+**[\5&在鼓风烘箱中+7*8干燥,9后放入炉中以升温速率78,Q:4@+升温至+,**8保温+9后随炉自然冷却&+’)’)!样品浸渍处理!将烧结得到的0:;)多孔陶瓷置于一定量的氧化石墨烯水溶液!质量分数为*’*+C$中室温浸泡+*Q:4取出后在鼓风烘箱中+7*8干燥+9得到氧化石墨烯浸渍的0:;)多孔陶瓷&通过控制浸泡时间使每次浸渍干燥后0:;)多孔陶瓷中的氧化石墨烯含量增加*’**C通过改变浸渍次数可以得到不同氧化石墨烯含量!*’**C)*’**FC)*’*+)C$的样品&通过测量0:;)多孔陶瓷吸收的氧化石墨烯水溶液推算出所吸附的氧化石墨烯含量&BHI!表征+’,’+!表面形貌!0:;)多孔陶瓷表面形貌用日本电子公司的日立0GF**型扫描电子显微镜观察&+’,’)!气孔率测定!本实验采用阿基米德法测定所制备0:;)多孔陶瓷的显气孔率&BHJ!吸波性能测试本实验利用J$,!)Y型矢量网络分析仪进行测量弓形法]J[反射率自动扫频测试系统如图+所示测量频率范围为++F=?&在反射率测量中为减少边缘绕射的影响一般要求样板边长大于7倍波长即样品尺寸统一规定为+F*QQ^+F*QQ的正方形平板厚度为)QQ&实验用吸波材料正入射时的反射率!来描述它的吸波性能&反射率!一般定义如下%一定频率和极化的平面电磁波以一定的角度入射吸波材料的散射功率与相同尺寸的良导体平板的散射功率之比为该材料的反射率!&通过!这一重要参数可以评价吸波材料的吸波特性&本实验用全波段对样品吸波性反射率进行测量&以传输线理论为基,:;=,!第#期!!张国英等%氧化石墨烯对0:;)多孔陶瓷吸波性能的影响图+!弓形法]J[反射率自动扫频测试系统_:P’+!B%R]J[3NU&NML:S:L6LNEL:4PE6ELNQ%U52L%Q5L:MU3N‘2N4M6ERNNK!础*))+电磁波在材料上的功率反射率!为!3#3L549$)$?@A3#槡!$3B+3#3L549$)$?@A3#槡!$3C+D)*&P!!+$式中!D为吸波材料的反射率AB##3)3和@分别为吸波材料的相对介电常数)相对磁导率和厚度#?为电磁波的频率#A为光速&)!实验结果与讨论$HB!表面结构0:;)多孔陶瓷的扫描电镜图如图)所示&从一系列扫描电镜图中可以看到单个0:;)颗粒轮廓分明较多的0:;)颗粒依然保持明显的棱角但颗粒之间存在局部烧结现象&由于晶态0:;)熔点高达+#7*8加之实验中烧结温度较低保温时间较短因此只是部分尖锐棱角处发生烧结&同时气孔无法发生球化也表现为多角形!图中箭头处$&由图)可以看出由于样品中各个0:;)颗粒之间均有大量形状和大小不一的孔隙存在孔隙比较发达&由于原料颗粒的随机堆垛造成烧结材料的孔径分布较宽通过图中可以看出孔径变化范围在+*,**#Q之间&对于吸波材料较宽的波段具有较高的吸收率&因此较宽的孔径分布有利于材料的广谱吸波&需要指出的是浸渍氧化石墨烯后由于浸泡图)!多孔0:;)烧结样品断面的扫描电镜照片_:P’)!0/[Q:M3%P35K9E%UU35ML23NAE23U5MN%U5EGK3NK53NAK%3%2E0:;)E5QK&N5LA:UUN3N4LQ5P4:U:M5L:%4E,E;=,化!工!学!报!!第!卷!干燥只涉及+7*8的低温过程和极少量的很薄的氧化石墨烯层0/[检测未能发现浸泡前后的样品显微结构变化&$H$!气孔率通过阿基米德法测定所制备0:;)多孔陶瓷的显气孔率为,,’#C&气孔存在的主要原因是采用了较低的烧结温度&即在此温度下原胚体中的气孔得以保留最终得到较高气孔率的烧结制品&虽然黏结剂甲基纤维素分解也可能影响气孔率但由于其含量很少可不予考虑&$HI!吸波性能图,为所制备样品的全波段反射率随频率变化曲线&从图中可以看到0:;)多孔陶瓷在低频段!+#=?$吸波性能不明显浸渍氧化石墨烯后对电磁波的吸收也基本没有影响&在高频范围0:;)多孔陶瓷样品不含氧化石墨烯时其反射率随频率而变化在+)’)7=?达到极值@,’7AB随后反射率逐渐增加&电磁波频率在+*+#=?范围内反射率均大于@,AB&其吸收带宽为=?占测试频率范围的#C表现出一定的吸波性&当在0:;)多孔陶瓷样品中加入*’**C!质量分数$的氧化石墨烯时电磁波频率在+*+#=?范围内反射率变化规律与纯0:;)多孔陶瓷样品的变化类似随着频率的上升先减小后增加在+)’)7=?达到极值@7’*AB随后反射率逐渐增加但低于0:;)多孔陶瓷样品导致吸收带宽大于多孔陶瓷样品吸波性能提高了#7C&对于含有质量分数*’**FC和*’*+)C的氧化石墨烯的0:;)多孔陶瓷样品多孔陶瓷样品的吸波性能大幅度降低&其主要原因是由于碳系吸收剂的介电常数较大吸波层的阻抗匹配特性较差&此时反射率基本达到+**C即对电磁波表现出全反射&由于浸渍氧化石墨烯不会改变多孔陶瓷样品的结构因此氧化石墨烯对样品吸波性能的影响主要在于氧化石墨烯片层层叠形成多层复合结构导致电磁波进入材料内部后被损耗&当进行浸渍干燥时氧化石墨烯片层附着在颗粒表面!图$&这些氧化石墨烯片层通过涡流损耗机制促进材料对电磁波的吸收&当较多的氧化石墨烯片层附着在颗粒表面时生成一个类似金属表面的电磁波入射面发生了入射波的全反射&因此少量氧化石墨能够促进电磁波吸收较多的氧化石墨烯对电磁波图,!不同石墨烯含量样品的吸波性能比较_:P’,!/N&NML3%Q5P4NL:MR5SN5TE%3KL:%4K3%KN3L:NE%UK%