具有负介电常数的石墨烯-氧化铝复合陶瓷的电磁衰减性能研究

The size and value matching between permittivity and permeability determine the interaction of materials with electromagnetic waves, which also affect its applications in electromagnetic attenuation, wave absorbing and transparence, and electromagnetic shielding, etc. Negative permittivity is a novel property of materials, and its unique property and potential applications receive increasingly attention. However, the current study focuses on the fabrication and mechanism of materials with negative permittivity. The interaction of negative permittivity materials with electromagnetic waves especially the electromagnetic attenuation is rarely reported. Solving these problems can promote their practical engineering applications. Considering graphene with good electrical and thermal conductivity, the project intends to prepare graphene-alumina ceramics with negative permittivity, explores the relationship and influence of negative permittivity with electromagnetic attenuation, and finds out the effect of microstructure and phase composition on its attenuation. Finally, the attenuation mechanism is explained by combining with appropriate models and theories. The project will provide a theoretical basis for the construction of a new type of ceramics towards electromagnetic attenuation, and it is also significant for the development of materials with negative permittivity.

介电常数和磁导率的大小及数值匹配决定了材料与电磁波之间的相互作用，并影响到材料在电磁衰减、吸波、透波和电磁屏蔽等领域中的应用。负介电常数是材料的一种新颖性能，特有的性质和潜在的应用价值使其日益受到大家的广泛关注。然而，有关负介电常数的研究目前主要集中于材料的制备和产生机理方面，有关该类材料与电磁波的作用特别是在电磁衰减方面的研究国内外却没有涉及到，负介电常数对电磁衰减性能的影响规律如何，衰减机理如何解释等都是需要思考问题，这些问题的解决能推动负介电常数材料在实际工程中的应用。考虑到石墨烯具有良好的导电和导热性能，本项目拟制备出具有负介电常数的石墨烯-氧化铝复合陶瓷，探索负介电常数与电磁衰减性能之间的关系，明确复合陶瓷微观结构和物相组成对其衰减性能的影响，并结合相应的模型和理论对衰减机理进行解释。该项目可为构建新型的电磁衰减陶瓷提供理论依据，对负介电常数材料的发展也具有重要的研究意义。

针对负介电材料电磁衰减性能研究的不足，以及金属陶瓷类材料的负介电数值偏大且不易调控的问题，本项目以石墨烯材料作为导电功能相，陶瓷和树脂材料作为基体，成功制备了石墨烯-氧化铝，石墨烯-氮化铝，还原氧化石墨烯-氧化铝，石墨烯-酚醛树脂等一系列负介电性能复合材料，并对其微观结构、负介电性能、损耗和机制等进行了深入的研究。结果表明调控石墨烯等碳材料在基体中的含量，可观察到电导渝渗现象。当形成三维导电网络结构时，可以获得负的介电实部，包括Lorentz型和Drude型两种共振类型。与金属陶瓷类负介电材料相比，所制备的材料负介电实部数值明显减小，并仍然保持高的电磁损耗能力，其电磁衰减损耗主要以电导损耗和极化损耗为主。该类材料较低的负介电数值利于电磁匹配，为其实际应用提供了可能。另外，我们还首次发现除了控制石墨烯的含量，还可以通过构建石墨烯-碳纳米管多级结构、改变烧结工艺、改善分散情况以及杂原子掺杂等方式来调控负介电性能，丰富了负介电材料性能的调控手段。考虑到石墨烯基负介电材料的实部数值低，性能可控以及石墨烯等碳材料耐腐蚀和密度低的优势，该项目对于新型负介电材料的研发以及提升其实际工程应用潜力具有重要的研究意义。