基于石墨烯的柔性高分子复合材料的制备及应用研究

With the development of the electromagnetic pulse weapons, electromagnetic interference (EMI) shielding radiation continues to be a serious concern for modern army. Polymer composites containing carbon-based nanofillers have their own advantages, such as being lightweight, resistance to corrosion, excellent process ability, and broad absorption bandwidth and flexible. Graphene, a new class of 2D carbon nanomaterials, possesses extraordinary electrical, mechanical, and thermal properties. These unique features offer great promise for its use in EMI shielding. Based on a solid further study basis, graphene oxide (GO) with semiconductor nanoparticles (TiO2, ZnO, SnO2) on their surface will disperse in polyurethane (PU), than using the UV light to obtain the graphene from GO in the composite. 3D-graphene has lightweight and porous properties, conducting polythiophene will grow in these porous by solid-state polymerization than add in PU to form composite. The EMI shielding effective and mechanism will be explored in both macroscopic and microscopic levels. By conducting this study, a new type of soft EMI shielding composite for protection of electronic devices and camouflage for radar will be achieved, which provides new ideas and technical supports to improve our air force in complex electromagnetic environment.

随着电磁脉冲武器的发展，设备的抗电磁屏蔽性能已引起军事防护工程的重视。以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势，包括重量轻，耐腐蚀，易加工，具有柔性以及可吸收频率范围广。石墨烯作为一种新型的2维纳米碳材料，具有极其优异的电学，力学，以及热力学性能，使得石墨烯在于高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质。本项目基于申请人团队坚实的研究基础，拟通过在氧化石墨烯表面搭载半导体纳米颗粒（二氧化钛、氧化锌、氧化锡）后与聚氨酯复合后经紫外光照还原形成含石墨烯复合材料以及在三维轻质石墨烯的孔内生长导电聚噻吩形成复合结构与聚氨酯复合形成复合材料，并对以上两类复合材料进行电磁屏蔽性能的研究，再进一步探讨其电磁屏蔽机理。通过本研究的实施，有望获得可应用于反侦察与防电磁毁伤相集成的柔性电磁屏蔽复合材料，为提高我国空军在复杂电磁环境下的生存能力提供新的思路和技术支撑。

当前，电磁吸收材料正朝着层薄、质轻、吸收频率范围宽、吸收效果强（薄、轻、宽、强）的方向发展，新型碳基电磁吸收材料越来越受到人们的重视。石墨烯在经过表面修饰或负载其它材料后，电磁参数得到优化，电磁吸收性能大幅提升。本项目通过两种有机导电聚合物（聚噻吩、聚吡咯）和两种无机半导体材料（氧化锌、二硫化钼）分别与石墨烯形成复合材料，制备出符合薄、轻、宽、强设计理念的新型电磁吸收材料，主要工作包括：.（1）将多孔石墨烯对有机溶液的物理吸附与脱附过程用于2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩的固态聚合，制备了一种在多孔石墨烯孔隙间生长有聚噻吩的多孔石墨烯/聚噻吩复合材料。该材料以占10 wt%与聚合物混合成型后，材料厚度为2.0 mm时，有效吸收宽度为5.00 GHz，最强吸收值为−35.5 dB。.（2）在吡咯单体溶液中引入氧化石墨烯，吡咯单体经Fe3+快速氧化形成以聚吡咯链构成的凝胶，而此时氧化石墨烯被拴在聚吡咯的链之间，再经水热反应，原位还原得到石墨烯，最终形成石墨烯/聚吡咯复合材料。该材料以占10 wt%与聚合物混合成型后，材料厚度为3.0 mm时，有效吸收宽度为6.76 GHz，最强吸收值为−54.4 dB。.（3）将氧化石墨烯与工业化的氧化锌纳米颗粒进行杂化复合后，经水热、紫外光照两次还原获得石墨烯/氧化锌复合材料。该材料以占10 wt%与聚合物混合成型后，材料厚度为2.5 mm时，有效吸收宽度从光照前的6.24 GHz提升至6.40 GHz，而材料对电磁波的损耗也由单一的电导损耗为主转向电导、驰豫损耗协同。.（4）将二硫化钼包覆在小尺寸石墨烯表面制备了石墨烯/二硫化钼复合材料。随着石墨烯/二硫化钼在聚合物中的添加量自5 wt%提升至30 wt%，材料对电磁波的损耗也由驰豫损耗转向电导损耗。该材料以占20 wt%与聚合物混合成型后，材料厚度为2.5 mm时，有效吸收宽度为5.70 GHz，最强吸收值为−60.0 dB。