还原氧化石墨烯基三维多孔纳米复合材料的构筑及微波-红外兼容隐身性能研究

Microwave-infrared compatible stealth materials need to meet the strong absorption of microwave, low infrared emissivity, thin depth, light weight, and broad absorption band, et al requirements. The study of reduced graphene oxide-based three-dimensional porous nanocomposites is an important direction to achieve these requirements. Due to the rich oxygen-containing functional groups on the surface and special sheet structure of graphene oxide, conducting polymer poly(1-naphthylamine) with good structure designability, easily controlled electrical conductivity, low infrared emissivity characteristics, this project plan to use graphene oxide as a template, reduced graphene oxide/poly(1-naphthylamine) binary three-dimensional porous nanocomposites were synthesized by in-situ solution polymerization, while reduced graphene oxide/poly(1-naphthylamine)/metal oxide (Fe3O4, Co3O4, TiO2, ZnO, and SnO2, et al) ternary three-dimensional porous nanocomposites were prepared by a two-step method: emulsion polymerization and hydrothermal reaction, respectively. In order to clarify the infrared radiation and microwave absorption mechanism and lay a theoretical foundation for construction novel structure, excellently overall performance of graphene-based microwave-infrared compatible stealth material, the effects of synthetic technological conditions, material composition, interfacial structure, type and morphology of metal oxide nanoparticles, porous structure on the electromagnetic parameters and microwave-infrared compatible stealth performance of composite materials were explored.

微波-红外兼容隐身材料需要满足微波吸收强度大、红外发射率低、厚度薄、质量轻、吸收频带宽等要求，还原氧化石墨烯基三维多孔纳米复合材料的研究是实现这些要求的一个重要方向。基于氧化石墨烯表面含有丰富的含氧官能团、特殊的片状结构，导电高分子聚1-萘胺的结构可设计性、电导率易调控、红外发射率较低等特性，拟以氧化石墨烯为模板，分别通过原位溶液聚合方法合成还原氧化石墨烯/聚1-萘胺二元三维多孔纳米复合材料，乳液聚合和水热反应两步法制备还原氧化石墨烯/聚1-萘胺/金属氧化物（Fe3O4、Co3O4、TiO2、ZnO、SnO2等）三元三维多孔纳米复合材料。探索复合材料的合成工艺条件、材料组成、界面结构、金属氧化物纳米粒子的种类及形貌、多孔结构等对复合材料的电磁参数及微波-红外兼容隐身性能的影响，阐明复合材料的红外辐射及微波吸收机理，为制备结构新颖、综合性能优良的石墨烯基微波-红外兼容隐身材料奠定理论基础。

碳材料（石墨烯和碳纳米管）具有良好的化学稳定性和导电性能、低密度、较高的介电损耗，使其在微波吸收材料领域具有良好的应用前景。在国家自然科学基金青年基金的资助下，本项目以还原氧化石墨烯（RGO）和多壁碳纳米管（MWCNTs）为模板制备了系列RGO或MWCNTs基二元/三元杂化复合材料，详细研究了复合材料的结构、组成、微观形貌、电磁参数及微波吸收性能，深入探讨了复合材料的微波吸收机理，有望对新型碳基复合吸波材料的开发和应用提供一定的参考价值。本项目所取得的主要研究成果：1、采用改进的Hummers法成功制备不同重量浓度的接近单片层的稳定的氧化石墨烯（GO）水分散液；通过振荡剪切流变技术深入研究了四种不同组成的氧化石墨烯分散体系（GO、GO/PEG、GO/NaCl和GO/PEG/NaCl等）的物理凝胶化过程和流变性能，为后续制备RGO基气凝胶吸波材料提供了一定的理论指导。2、以GO为模板，乙二胺为氮掺杂剂和还原剂，通过水热法制备了氮掺杂RGO气凝胶。固定GO的浓度和体积，通过改变乙二胺的体积，控制氮掺杂RGO气凝胶的氮掺杂量，进而调控其电磁参数和微波吸收性能，获得了一类“薄厚度、低密度、宽吸收频带、强吸收、低填充比”的三维网状多孔微波吸收材料。3、以RGO或GO为模板，采用简单的溶剂热法/水热法制备了系列还原氧化石墨烯基二元/三元磁性复合材料。详细表征了复合材料的微观形貌、界面结构、电磁参数和微波吸收性能，深入探讨了复合材料的微波吸收机理，获得了系列RGO基二元/三元磁性复合微波吸收材料。4、以硝酸酸化处理的多壁碳纳米管为模板，通过简单的溶剂热/水热法制备了三种MWCNTs基杂化复合材料。详细表征了复合材料的微观形貌、界面结构、电磁参数和微波吸收性能，深入探讨了复合材料的微波吸收机理，获得了系列MWCNTs基二元杂化复合微波吸收材料。本项目发表研究论文24篇（其中SCI收录论文19篇），申请国家发明专利8项；在国际、国内学术会议上作学术报告4次；培养毕业硕士研究生5人；2名项目团队人员晋升高一级职称。