石墨烯表面共价键合对复合材料吸波性能的作用机制

The microstructure and morphology of the absorbent have a decisive influence on the microwave absorbing properties of the materials. In the previous study, we found that the covalent bonding can affect the polarization degree and the electromagnetic parameters of the composites in the microwave field, which will further influence the microwave absorbing properties, but the mechanism were not clear. Therefore, the study of mechanism of the covalent bond on graphene based microwave absorption composites will have a tremendous theoretical significance and application value. In this project, we will use ferrite（Fe3O4、CoFe2O4), conductive polymer (PANI, PPy, PEDOT), core-shell and egg yolk-shell structure as study objects to build binary, ternary graphene-based composites. We synthesized graphene-based composites which mainly based on non-covalent bond by the common method, and tried another method through a covalent bond, the two methods were compared. At the same time, the mechanism of covalent bond connection on the influence of electromagnetic parameters, polarizability, conductivity, microwave absorption performance of composites would be investigate, which could reveal the mechanism of covalent bond on the absorption properties of graphene based composites. Furthermore, we will explore the way to control the absorption properties of the materials and improve the absorption rate. In a word, the results of study not only enrich the theory of the interaction between graphene based composites, but also lay a theoretical foundation for the design of new wave absorbing materials.

吸收剂的微观结构与形貌对吸波材料的吸波性能具有决定性影响。我们前期的研究表明，在微波电场下，石墨烯表面共价键合使复合材料的极化程度、电磁参数等发生较大变化，影响其吸波性能，但作用机理尚不清楚。故研究共价键连接对石墨烯基复合材料吸波性能的作用机制有重要的理论意义和实际价值。本项目以石墨烯为基体，以铁氧体（Fe3O4、CoFe2O4），导电聚合物（PANI、PPy、PEDOT）、核壳与蛋黄-蛋壳结构的铁氧体@导电聚合物为研究对象，构筑二元、三元复合材料，通过共价键连接与常用的、主要以非共价分子吸附修饰石墨烯或材料复合的方法进行分析对比，研究共价键连接对材料的电磁参数、极化度、电导率、吸波性能的影响机理，揭示共价键连接对石墨烯基复合材料吸波性能的作用机制，探索调控材料吸波性能及提高吸收率的途径，研究结果既丰富了石墨烯基复合材料间相互作用的理论，也为新型吸波材料的设计奠定了理论基础。

高效的电磁波吸收剂需要满足厚度薄、质量轻、吸收频带宽、吸收能力强的特点。石墨烯作为二维结构碳纳米材料，能够在一定程度上满足吸波材料对于轻量化，薄型和强吸收性的需求；但其磁损耗作用不足，阻抗匹配性能较差。将石墨烯与磁损耗型材料复合，实现介电损耗与磁损耗的协同作用，进而可实现优异的吸波性能。通过化学还原法得到的石墨烯表面存在大量含氧官能团，可以为磁损耗材料的引入提供大量的活性位点。石墨烯表面共价键合使复合材料的极化程度、电磁参数等发生较大变化，对材料的吸波性能影响大。故研究共价键连接对石墨烯基复合材料吸波性能的影响有重要的理论意义和实际应用价值。本项目以石墨烯为基体，以铁氧体（Fe3O4、CoFe2O4），导电聚合物（PANI、PPy、PEDOT）、核壳与蛋黄-蛋壳结构的铁氧体@导电聚合物为研究对象，构筑了共价键合石墨烯基二元、三元复合材料，通过将共价键连接与非共价键连接，以及共价连接方式下不同组分含量的复合材料进行对比，研究共价键连接对石墨烯基复合材料吸波性能的影响机理和作用机制。研究工作表明，相比较于非共价键合吸波剂而言，共价键的引入改变了吸波剂中不同组分之间的连接方式和石墨烯表面的电子云分布，调节了石墨烯的介电损耗能力，导致复合材料的电磁参数发生变化，进而影响其吸波性能；同时，共价键可以作为稳定的载流子通道，有益于石墨烯与铁氧体、导电聚合物、铁氧体@导电聚合物之间的电子转移，从而影响材料的电磁性能；共价键合方式改善了复合材料的阻抗匹配，并产生多级界面极化。上述因素协同作用可使复合材料的电磁波吸收性能显著增加。通过本项目的研究工作，揭示了共价键合对石墨烯基复合材料吸波性能的作用机制，研究的结果丰富了石墨烯基复合材料各组分间相互作用的理论，为高效电磁波吸收材料的设计与应用提供了新途径。