基于钇铝石榴石/石墨烯透明薄膜的新型透明天线材料的光电一体化研究

The optical performance of yttrium aluminium garnet (YAG) ceramics has been widely studied. However, another important performance of the YAG ceramics, microwave dielectric properties, has long been neglected. This project not only inherits and develops the optical performance of the YAG ceramics, but also plays more attention to the systematically study for the microwave dielectric properties of the YAG ceramics. The purpose of the study is to make the YAG ceramics become a kind of optical transparent material with microwave dielectric properties. The YAG ceramics will become the aggregation of infrared window, visible window and radar antenna materials. The specific technical route of this project as follows: the YAG ceramics are prepared by thermal decomposition method combined with spark plasma sintering. The relationships between microwave dielectric properties, optical transmission (visible - infrared light) and mechanical properties are deeply studied and optimized. On the other hand, graphene conductive film is adopted as the transparent electrode materials. The photoelectric properties and interfacial compatibility of both YAG ceramics and graphene film are coordinated and optimized. Consequently, the transparent antenna materials with microwave transceiver functions and optical transmission are obtained. The photoelectric materials are important in the fields of compound guidance, communication and navigation. The research results will offer the support of material and theory for the photoelectric devices in multi-field.

钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷的光学性能已经被广泛研究，然而，其另外一个重要性能--微波介电性能被长期的忽视。本项目在继承并发展YAG陶瓷光学性能的基础上，重点对其微波介电性能进行系统研究，拟将YAG陶瓷开发成一种兼具光学透光性和微波介电性能的多功能材料，从而实现可见-中红外光窗口和雷达天线材料的共用。具体技术路线：通过改进的热分解法结合高压低温快速烧结工艺制备YAG透明陶瓷；深入研究其微观结构、微波介电性能、光学透光性和力学性能之间的关系，并进行协调统一、综合优化。随后，选取石墨烯透明导电薄膜作为透明电极材料，并协调优化YAG基底与石墨烯薄膜两者的光电性能以及界面相容性，获得一种既具有可见-红外光透光性又具有微波收发功能的透明天线材料。这种光电功能一体化材料，在复合制导、通信和导航等领域具有重要的应用价值。本项目研究成果可能为多用途、多领域光电一体化功能器件的研究提供材料和理论支持。

随着微波技术的发展，在许多场合急需兼具光学透光性和微波介电性的多功能一体化材料。然而，常见的微波介质陶瓷为非透明状，而传统透明材料（如玻璃、高分子聚合物）的机械和物理化学性能较差，且在红外波段具有较强吸收。此外，常规的陶瓷介质天线一般采用非透明金属材料作为电极制备天线辐射单元及馈电电路等，这也阻碍了器件透明化的发展。. 针对这个问题，本项目选用钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷结合石墨烯透明薄膜为研究对象。石墨烯具有高的导电性、导热性，高的化学和机械性能稳定性，较好的柔韧性。YAG陶瓷保持陶瓷固有的优异机械性能外，还具有优异的光学性能和微波介电性能。以YAG陶瓷作为微波天线材料，并结合石墨烯透明薄膜为电极，开发兼具透光性和微波介电性能的多功能一体化天线材料。. 本项目的主要研究结果如下：. （1）经改进的共沉淀法成功制备了分散均匀的YAG纳米粉体。当煅烧温度为1000°C时，粉体粒径分布在50-120nm，颗粒呈类球形、团聚少、尺寸分布均匀，且具有较好的结晶度。. （2）采用放电等离子烧结技术成功制备了YAG透明陶瓷。以LiF为烧结助剂，在烧结温度1330°C, 升温速率15°C/min和保温时间40min下，经过两步加压操作，样品获得最优的透光率在波长为600和1064nm处分别为72.1%和82.0%。在1360°C, 升温速率15°C/min，保温20min时，样本获得最佳的微波介电性能为Q×f=10,5934GHz,εr=10.7和τf=-54.6ppm/°C，且样品相对密度达到最高值99.92%。大部分晶粒都小于3μm，且未观察到气孔，表明显微组织均匀致密。. （3）石墨烯透明导电薄膜的制备。采用化学还原成功制备了石墨烯，其具有片状结构，存在少许的褶皱，结合冷凝回流法大大的延迟了样品团聚时间。将石墨烯分散于十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的表面活性剂中，采用喷涂法制备石墨烯透明导电薄膜，石墨烯导电薄膜的面电阻为1.3kΩ/sq。由于薄膜的褶皱和不均匀性导致YAG透明陶瓷的透过率从80.5%降至于62%。. 本项目研究成果可能为多用途、多领域光电一体化功能器件的研究提供材料和理论支持。