石墨烯纤维及其复合材料结构设计与电磁屏蔽性能

作     者：许亚丽 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦发祥

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：石墨烯纤维 电磁屏蔽 电磁复合材料 复合材料结构设计 

摘      要：随着电子产品的迅速发展和使用量的急剧上升,微波和射频等高频电磁波正干扰着我们的生活,为了减少电磁干扰污染,必须开发质量轻、成本低的电磁干扰屏蔽材料。作为一种新型的碳材料,石墨烯因其低密度、热稳定性好、耐腐蚀性强、高导电率和柔性好等优点,弥补了金属等材料高密度且易腐蚀的缺点。轻质碳材料中的明星成员石墨烯纤维,作为一种新型的一维石墨烯材料,发展近十年来,被广泛应用于储能和探测器等领域,然而有关于其在电磁屏蔽方面的应用鲜见报道。因而针对如何充分利用石墨烯纤维的优点以最优配置分散于复合材料中,我们从石墨烯纤维自身的制备与性能调控研究入手,后选用硅橡胶为基体,制备出一系列不同介观结构的石墨烯纤维/硅橡胶复合材料并探究其电磁性能及构性关系。本论文主要分为以下三个部分:(1)石墨烯纤维的制备和性能:首先使用“一步法快捷制备单层氧化石墨烯,以其高浓度溶液(40mg/ml)为原料,通过湿法纺丝法制备出氧化石墨烯纤维,随后通过氢碘酸化学还原、微波水热还原、热退火和电镀等手段制备出一系列纤维。就本征导电纤维而言,在经过化学和热退火600℃两步还原后得到的纤维,因氢碘酸的亲核取代反应和高温的作用,纤维导电性可以提升至605S/cm,较仅由化学还原的纤维而言,电导率增幅高达70%,且在600℃前几乎无失重;在对化学还原后纤维进行镀镍5min处理后,纤维在表面4μm厚度的金属镍层作用下,电导率可以提升150多倍,达到5.5×10S/cm。(2)石墨烯纤维复合材料的结构设计和电磁屏蔽性能:利用纤维易于排布的优势,通过对纤维间距、数量调整以及夹层结构的设计,制备了一系列石墨烯纤维/硅橡胶二元复合材料并对其在X波段的电磁屏蔽性能进行研究。研究发现,本征型导电纤维复合材料因石墨烯纤维的介电损耗特性,均为吸收主导型屏蔽。因Lorentz型介质共振等原因,所有样品均呈现出选择吸收的特点。通过夹层结构设计后,在Fabry–Pérot共振腔作用下,填充量仅为0.2wt%时,本征导电纤维样品的屏蔽效能较相同填充量的单层样品增加41%(38 dB);镀镍样品则提升了43%(63 dB),且由反射主导型转变为吸收主导型样品。(3)混杂纤维复合材料设计举例及其电磁屏蔽性能:利用铁磁性非晶丝和石墨烯纤维之间的协同作用,将两种纤维组合起来制备非晶丝/石墨烯纤维/硅橡胶三元复合材料。在电磁屏蔽测试中,因非晶丝的介电损耗和磁损耗与石墨烯纤维的介电损耗结合,通过一种“吸收-反射-再吸收的机制,呈现出“1+12的效果。在填充量仅为0.059wt%的情况下,复合材料屏蔽效能达到18 dB,意味着损耗98.4%的电磁波。以上结果表明,以单一石墨烯纤维或混杂纤维作为填充的复合材料,经由对纤维排布的操控,可以在极低填充量下实现对入射电磁波的高效兼具选择性屏蔽。石墨烯纤维在复合材料中展现出低填充、高自由设计度和性能充分可调等特点。通过作为基本功能基元的纤维的结构、纤维排布构成的序构与整体复合材料电磁性能之间的构效关系的研究,为设计、实现基于石墨烯纤维的轻质、频率可调的电磁屏蔽复合材料提供了重要的科学依据;所制备的屏蔽材料展示出一定的工程应用价值。