石墨烯功能粒子及其结构型吸波复合材料制备及性能研究

作     者：许凯 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵贵哲

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：RGO/Ni功能粒子 化学镀 吸波性能 结构型复合材料 玄武岩纤维织物 

摘      要：随着军事科技迅速发展,雷达探测性能变得越来越优异,于此而言,作为战争中的“盾,吸波材料的使用是防范自身被发现的有效途径,因此,这类材料越来越受到相关领域研究人员的青睐。当今,由于各类高性能纤维的发现,才真正使得结构型材料可以代替金属作为受力结构部件。目前,石墨烯可以采用化学镀技术进行金属化功能改性。玄武岩纤维作为一种天然纤维,力学性能、耐腐蚀性能优异,并且价廉易得,经常用于增强复合材料。而环氧树脂力学性能优异,容易成型,便于大规模生产,经常用来当作复合材料的基体,可以与各种高性能纤维制备复合功能性复合材料。因此,本文以化学镀改性的氧化石墨烯为吸波剂,绿色环保的玄武岩纤维为增强纤维,环氧树脂为基体,最终制备了改性石墨烯/玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。本文主要研究结果如下所述:(1)以NaHPO为还原剂,柠檬酸钠为络合剂,在NiCl主盐溶液中在一定pH下合成了RGO/Ni复合材料,通过对化学镀时间进行研究,发现时间参数可以调控石墨烯表面镍颗粒附着量。研究表明,使用化学镀在石墨烯表面合成的镍以球状颗粒呈现,并且发现时间参数显著影响镍颗粒的数量以及大小。当反应时间为40 min时,镍颗粒分布均匀,复合材料达到最佳的吸波性能,而对应的材料厚度仅为3.00 mm,有效微波吸收带宽为4.00 GHz,对于雷达经常使用的X波段来说,基本上达到了全频覆盖。此外,当厚度增加到3.50 mm时,最大吸收强度可以达到-51.10 dB。进一步采用四分之一波长理论和改进后的阻抗匹配理论对吸波机理进行了研究。结果发现,RGO/Ni-40的微波吸收性能频率依赖曲线符合四分之一波长理论,稍微偏离了最佳阻抗匹配条件。经过比较分析,发现RGO/Ni-40的吸波性能主要由四分之一波长理论贡献,而阻抗条件所起作用相对较小。(2)以RGO/Ni为吸波剂,通过喷涂的方式附着在玄武岩纤维布表面,制备了吸波涂层。每个吸波涂层都是一个单独的吸波单位,通过对不同浓度吸波涂层进行简单的排列组合设计,研究了五种比较典型的吸波涂层组合。研究结果表明,复合材料中若只含有一层吸波层时,吸波性能较差;而当复合材料中含有三层吸波层时,由于电磁波在吸波涂层间的反射及折射增多,增大了电磁波在材料中的传输路径,所以吸波性能较为优异。研究发现不同浓度吸波涂层的位置对吸波性能的影响也很大,当吸波涂层以浓度梯度的形式进行排列时,吸波性能优异,最大反射损耗为-11.82 dB,有效吸收带宽为3.10GHz,此时的冲击强度达到了188.00 kJ/m,弯曲强度达到了179.80 MPa,对于一些需要承载及隐身性能的应用条件,这种材料基本上满足了力学性能与吸波性能的双重要求。除了通过喷涂的方式选用功能粒子对纤维进行表面处理,还可以采用硅烷偶联剂KH550对玄武岩纤维进行改性,在纤维与功能粒子之间搭建起一座“桥梁,功能粒子最终牢牢依附在纤维表面。经过改性后,功能粒子在玄武岩纤维布上呈现规则的排列,由此呈现出稀疏的导电网络结构,重叠的导电网络结构使复合材料具备了较好的吸波性能,最大反射损耗为-12.70 dB,有效吸波带宽为3.00 GHz,而且相比于未改性的玄武岩纤维,改性后的纤维表面由光滑变得粗糙,表面可接触面积增多,而且偶联剂改善了纤维与基体间的相容性,因此力学性能也得到了改善,其中冲击强度提高了20%,达到了213.50kJ/m,弯曲强度提高了15%,达到了238.20 MPa。(3)为了继续提高材料的吸波性能,通过设计具有透波层-吸波层-反射层三层结构的功能复合材料,系统研究了采用这种结构后,透波层厚度对复合材料整体吸波性能的影响,研究结果表明:复合材料的RL峰随着材料厚度的增加向低频移动,这说明材料的吸波性能的频率依赖曲线满足四分之一波长理论。由于透波层可以有效引导电磁波进入材料内部,因此透波层厚度对材料吸波性能影响很大,研究发现,透波层的厚度与材料的微波吸收性能并不是单纯的线性关系,而是在一定厚度范围内存在最佳值,当复合材料厚度为5.00 mm时,最大的反射损耗为-15.44 dB,有效吸收带宽为0.90 GHz,此时冲击强度为175.63 kJ/m,弯曲强度为228.23 MPa,基本满足了隐身性能与承载性能的要求。