水溶性石墨烯的空间排布控制及其在结构吸波材料中的应用

吸波材料作为隐身材料和防止电磁波新型环境污染的关键技术，在军事和民用领域都具有十分重要的研究价值；石墨烯这种新型碳材料是一种具有优异导电性能的低维纳米材料，在新型复合材料尤其是结构吸波材料领域具有广阔的应用潜力。本项目针对目前石墨烯成本高、分散性差、容易卷曲失效等局限，旨在开发基于石墨烯的耐高温、抗氧化、具有优异力学和吸波性能的结构型吸波材料。主要途径是将天然石墨为原料通过化学-微波工艺合成水溶性、均匀分散的石墨烯片，并将其在陶瓷基体中进行空间取向排布，利用石墨烯的优越电磁波吸收性能及其超强的力学增强作用，这样既可提高陶瓷基体的力学性能，又能赋予材料良好的吸波能力有望得到良好环境耐受性的新型吸波材料；而且我们根据电磁波传播特性，提出石墨烯在材料中的分层取向排布，通过结构设计来进一步提高吸波性能，目的在于通过材料的合理设计与制备，得到结构功能一体化的新型复合材料体系。

吸波材料作为隐身材料和防止电磁波新型环境污染的关键技术，在军事和民用领域都具有十分重要的研究价值；石墨烯这种新型碳材料是一种具有优异导电性能的低维纳米材料，在新型复合材料尤其是结构吸波材料领域具有广阔的应用潜力。本项目针对目前石墨烯成本高、分散性差、容易卷曲失效等局限，旨在开发基于石墨烯的耐高温、抗氧化、具有优异力学和吸波性能的结构型吸波材料。主要途径是进行石墨烯的低成本制备，然后通过氧化-还原获得石墨烯单原子层片，然后将其均匀分散在水溶液和复合材料基体中，对复合材料的结构和性能进行优化。首先将天然石墨为原料通过化学-微波工艺先获得氧化石墨烯，然后通过还原反应获得水溶性的石墨烯片，并通过控制工艺参数和选择优化合适的表面活性剂体系获得了能够在水溶液中稳定悬浮并达到单分散的单层石墨烯片，此外还研究了石墨烯在离子液体中的分散特性，获得了能够将石墨烯稳定分散的离子液体体系。通过在液相中原位合成陶瓷前驱体的工艺和原位包裹工艺将石墨烯表面上包裹陶瓷前驱体，实现了石墨烯在陶瓷基体中的均匀分散和可控排布。研究了热压烧结和SPS烧结工艺参数，获得了致密的石墨烯陶瓷基复合材料。测试分析了氧化石墨烯、石墨烯、陶瓷前驱体以及不同石墨烯含量的陶瓷基复合材料的显微结构和性能。利用石墨烯的优良导电性、潜在的电磁波吸收性能及其超强的力学增强作用，与结构陶瓷基体相结合，根据电磁波传输特性理论，提出了石墨烯在陶瓷基体中的分层梯度分布，在对微波实现有效吸收和屏蔽的同时，以透波层——梯度吸波层——反射层的结构设计改善了石墨烯陶瓷基复合材料的表面和界面阻抗匹配性，最大限度地降低了微波的反射，实现了较高的吸波特性，测试并分析比较了不同含量和梯度分布的石墨烯多层梯度复合材料的插入损耗、回波损耗、透波率、反射率、吸收率、有效吸收系数以及阻抗等微波吸收性能参数，获得了具有四层或六层结构、石墨烯含量梯度分布、微波有效吸收系数高达99.8%以上的优异性能吸波材料。本项目中我们采用了低成本的制备和分散方法、原位合成涂层工艺、流延成型以及热压烧结工艺，通过控制工艺参数、优化复合材料的结构，获得了既具有良好的力学性能和热稳定性，又具有良好的导电性和吸波能力的石墨烯多层梯度分布结构吸波材料，探索了材料的合理设计与性能优化，得到了结构-功能一体化的新型石墨烯陶瓷基吸波复合材料体系。