核壳结构磁性纳米颗粒@碳纳米管-石墨烯复合物的合成、电磁特性和微波吸收性能研究

Because of their unique electromagnetic (EM) absorbing property and huge potential applications in civil and military industries, high performance microwave absorption materials (MAMs) have attracted an intense interest all over the world. However, the previous work confirmed that the single type MAMs could not be used as the high performance MAMs due to their high density, not so good microwave performance, weak chemical stability, and so on. In order to design and synthesize high performance MAMs, we must choose the optimum category of compositive materials and optimal structure of composite, and understand microwave absorbing mechanism of MAMs exactly. The early studies indicated carbon materials especially carbon nanotubes (CNTs) and graphene exhibited very good physical and chemical properties because of their special structures, and core@shell structured composites not only could show the properties of the core and shell substances but also exhibit good coupling and compensation. Based on the aforementioned facts, we choose core@shell structured magnetic nanoparticles@CNTs-graphene composite as the research object in this project. The core@shell structured composite can be synthesized by a combined hydrothermal method and chemical vapor decomposition process. By regulating the parameters (such as category of magnetic material, structure of CNTs, weight content of graphene), we can systematically study the effect of these parameters on the EM and microwave absorption properties of the obtained composites. And we will illustrate the microwave absorbing mechanism and the relevance mechanism between the parameters and properties, and establish the models for these mechanisms through the quantitative calculations and simulations. We hope that the designed study can provide the experimental and theoretical foundations for the studying high performance MAMs.

高性能微波吸收材料研发是备受人们关注的前沿课题之一，研究证实单一种类的吸波材料因存在密度大、吸波能力弱、稳定性差等问题很难成为高性能微波吸收材料。为了设计出性能优越的复合物吸波材料，需选择最佳种类的组成材料、最理想的复合物结构模型和认清其吸波机制。前期的研究表明碳材料尤其是碳纳米管和石墨烯因其独特的结构而具有非常优异的物性，核壳结构型复合物不但具有核芯和壳层物质的物性，而且两者间还可以产生很好的耦合和补偿效应。据此本申请以核壳结构磁性纳米颗粒@碳纳米管-石墨烯复合物为研究对象，拟采用水热法和化学气相沉积法合成出该类型复合物，通过调变复合物的参数，系统研究磁性材料的种类、碳纳米管的结构、石墨烯的含量对其电磁特性和微波吸收性能的影响；然后，通过定量模拟计算建立物理模型，阐明该类型复合物的微波吸收机制，揭示碳纳米管的结构等参数与其物性的关联机制，为高性能微波吸收材料的研究提供实验基础和理论依据。

针对目前高性能微波吸收材料研发中存在的关键问题，拟通过将石墨烯等二维材料复合在核壳结构CNTs 复合物中，充分利用二维材料独特的结构特点、表面积大、表面电子极易激发、密度低等奇异的物理和化学性能在降低密度的同时进一步提高样品吸收电磁波能力。研究前期，由于制备工艺条件的限制，项目组利用购买的Co3O4-氧化石墨烯复合物为催化剂，采用化学气相沉积法，通过调变化学气相的温度，以乙炔作为碳源，成功地合成了不同CNTs含量的异质结构Co@CNTs-G复合物，通过系统的对比研究和定量计算，结果表明由于其独特的结构特点和协同效应，该复合物能够表现出明显的增强微波吸收性能，我们并对该类型复合物的增强吸波性能物理机制进行了较为系统地讨论和分析。为了充分利用这一思想，希望希望提供更多的可调变实验工艺，建立在以往文献和项目前期的研究工作基础之上，按照原定的研究计划，我们首先利用Hummer’ s法制备出较高质量的氧化石墨烯，并以此为基底，利用水热法，成功地合成出了其他不同类型的金属氧化物-氧化石墨烯复合材料如不同Co:Fe原子比的Co3-xFexO4/氧化石墨烯、FeOOH/氧化石墨烯复合物。在此基础之上，利用金属氧化物/氧化石墨烯复合物作为前驱物，通过催化裂解乙炔的方法，调控温度，可控合成出不同种类的磁性纳米颗粒@CNTs-氧化石墨烯复合物。项目组还利用水热法合成出了Fe3O4/MoS2复合物，并以此作为催化剂前驱物，通过化学气相沉积法，调变乙炔裂解的温度，可以可控合成出不同种类和含量的异质结构磁性纳米颗粒@CNTs-MoS2等相应的复合物。在项目研究过程中，我们还提出了利用简单的水热法合成异质结构不同Co:Fe原子比的Co3-xFexO4/CNTs/氧化石墨烯和Fe3O4/CNTs/氧化石墨烯复合物的工艺条件。通过工艺条件的完善和优化，提出了两步独立水热法合成核壳结构Co3-xFexO4@MoS2和Fe3O4@MoS2制备工艺条件。在样品的可控合成和系统的表征研究基础之上，我们对所设计样品的吸波性能的可能机制进行了定性和定量对比分析研究，为高性能吸波材料的设计和开发提高了很好的实验和理论基础。