電磁屏蔽材料、吸波材料主要用于衰減或吸收電磁波,消除其對電子元器件、人體、環(huán)境產(chǎn)生的干擾或傷害。碳材料,包括炭黑、碳纖維、石墨烯、碳納米管等,具有低密度、高電導率、高柔性、易成形加工等優(yōu)點,彌補了金屬材料密度大、易腐蝕以及鐵氧體材料填充量大、機械性能大等缺點,可以應(yīng)用于電磁屏蔽材料和吸波材料領(lǐng)域。然而,相比于傳統(tǒng)的高導電金屬材料,碳材料的電導率偏低;相比于磁性鐵氧體材料,碳材料不具有磁性,其阻抗匹配性能較差。因此,碳材料的電磁屏蔽和吸波性能仍有較大的提升空間。針對如何提高碳材料電磁屏蔽和微波吸收性能這一問題,我們提出系列高性能碳基電磁屏蔽和吸波材料的設(shè)計思路,發(fā)現(xiàn)了膨脹增強效應(yīng),并制備了一系列高性能碳基多孔電磁屏蔽和吸波材料。本文的主要研究內(nèi)容分為以下四個部分:1、提出了具有平行多層結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠膜的制備技術(shù),并探索了其電磁屏蔽性能。研究發(fā)現(xiàn),石墨烯氣凝膠膜(GAF)的電磁屏蔽性能與膨脹程度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,由此我們發(fā)現(xiàn)了電磁屏蔽的膨脹增強效應(yīng),即在多層結(jié)構(gòu)中厚度方向的膨脹可以顯著地增強材料的屏蔽效能。并結(jié)合電磁學理論揭示了膨脹增強效應(yīng)的原理。因此,具有高電導率、高膨脹率的石墨烯氣凝膠膜展示出了優(yōu)異的屏蔽性能。面密度為8.4 mg cm-2,厚度為1.4 mm的氣凝膠膜在0.1-3 GHz的屏蔽效能達到～135 dB。以單位面密度的屏蔽效能(TASSE)作為參考指標,GAF達到100,000 dB cm2 g-1,在所有碳材料中處于最優(yōu)行列。該膨脹增強效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為高性能電磁屏蔽材料的設(shè)計提出了新的思路,以期啟發(fā)之后電磁屏蔽材料的研究。2、利用具有通直孔道結(jié)構(gòu)的杉木制備了具有通直孔道結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)熱解碳(PBPC)�？疾觳⒂懻摿藷峤鉁囟�(660、670、680、690、700、720℃)對生物質(zhì)熱解碳的導電率及吸波性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),熱解溫度為680或690 ℃時生物質(zhì)熱解碳最好地平衡了阻抗匹配和損耗能力,展示出最優(yōu)的吸波性能。680 ℃的生物質(zhì)熱解碳在厚度為4.28mm時最大吸收達到-68.3 dB,有效吸收帶寬達到6.1 GHz(8.2-14.3 GHz);3.73 mm厚的690℃生物質(zhì)熱解碳的有效吸收帶寬達到7.6 GHz(9.8-17.4 GHz)。3、制備了具有片狀結(jié)構(gòu)單元的多孔石墨烯氣凝膠(GA)。通過控制初始GO溶液的濃度(0.5,1,3,7 mg ml-1),實現(xiàn)了具有不同石墨烯含量的GA的制備。進一步吸波實驗研究發(fā)現(xiàn),GO溶液初始濃度為1 mg ml-1制備的GA-1最好地平衡了阻抗匹配和損耗能力,具有最優(yōu)的吸波性能。厚度為3 mm的GA-1具有-26.1 dB的最大吸收;厚度為4mm的GA-1的有效吸收帶寬達到7.2 GHz(8.1-15.3 GHz)。此外,得益于其遠低于其它用于吸波的石墨烯氣凝膠材料的極低密度(0.68 mgcm-3),GA-1表現(xiàn)出超高的物質(zhì)效率。4、實現(xiàn)了具有兩個獨立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙連續(xù)復合泡沫(BCCF)吸波材料的制備。研究結(jié)果表明石墨烯填充量以及微觀結(jié)構(gòu)對材料的吸波性能都具有重要的影響。以大片石墨烯制備的雙連續(xù)泡沫具有片狀結(jié)構(gòu)單元的邊支撐結(jié)構(gòu),可以在較低的石墨烯含量下實現(xiàn)優(yōu)異的吸波性能。石墨烯含量為3.40 mg cm-3,厚度為4 mm的雙連續(xù)泡沫的最大吸收達到-34.8 dB,EAB達到9.0 GHz(9.0-18 GHz),在所有碳基吸波材料中處于最優(yōu)行列。此外,雙連續(xù)泡沫具有高強度(～80 KPa)、高斷裂伸長率(22.2%)、高彈性等優(yōu)點,且展示出了超低的導電滲濾閾值(0.006 vol%)和吸油性能(60倍吸收),是一種易生產(chǎn)、低成本、高性能的多功能材料�？傊�,本文以高性能的電磁屏蔽或吸波為目標,制備了具有不同孔狀結(jié)構(gòu)的碳基材料,包括石墨烯氣凝膠膜、生物質(zhì)熱解碳、石墨烯氣凝膠、雙連續(xù)石墨烯復合泡沫。我們系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能或吸波性能,指出了影響電磁屏蔽性能或吸波性能的結(jié)構(gòu)因素和參數(shù)優(yōu)化方法,為新型電磁屏蔽材料和吸波材料的設(shè)計起到了重要的推動作用。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 電磁屏蔽材料和微波吸收材料研究的重要意義
    1.2 電磁學基本理論
        1.2.1 微波與電磁學理論
        1.2.2 電磁波的反射與損耗機制
            1.2.2.1 電磁波的界面反射與阻抗匹配
            1.2.2.2 電磁波在物質(zhì)內(nèi)部的衰減
            1.2.2.3 電磁波的介電損耗和磁損耗
            1.2.2.4 薄層材料的反射損耗與屏蔽效能
    1.3 碳基電磁屏蔽和吸波材料的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 碳膜材料
        1.3.2 碳泡沫材料
            1.3.2.1 碳氣凝膠
            1.3.2.2 碳/海綿復合泡沫
            1.3.2.3 聚合物熱解泡沫
        1.3.3 碳/聚合物復合材料
    1.4 選題依據(jù)和論文框架
        1.4.1 選題依據(jù)
        1.4.2 論文框架
第二章 實驗試劑、儀器及表征
    2.1 實驗試劑
    2.2 實驗儀器
    2.3 電磁干擾性能測試
        2.3.1 吸波性能測試
        2.3.2 電磁屏蔽性能測試
第三章 石墨烯氣凝膠膜的屏蔽性能和膨脹增強效應(yīng)
    3.1 引言
    3.2 實驗部分
        3.2.1 石墨烯氣凝膠膜的制備
        3.2.2 儀器表征
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 石墨烯氣凝膠膜的微納結(jié)構(gòu)
        3.3.2 石墨烯氣凝膠膜元素組成和分子結(jié)構(gòu)
        3.3.3 石墨烯氣凝膠膜的電磁屏蔽性能
    3.4 電磁屏蔽的膨脹增強效應(yīng)
        3.4.1 膨脹增強效應(yīng)的機理
        3.4.2 實驗數(shù)據(jù)擬合
        3.4.3 石墨烯氣凝膠膜屏蔽性能和屏蔽材料設(shè)計的討論
    3.5 本章小結(jié)
第四章 通直孔道結(jié)構(gòu)生物質(zhì)熱解碳的吸波性能研究
    4.1 引言
    4.2 實驗部分
        4.2.1 多孔生物質(zhì)碳的制備
        4.2.2 儀器表征
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 多孔生物質(zhì)碳的宏觀和微觀形貌
        4.3.2 多孔生物質(zhì)碳熱處理過程中的化學變化
        4.3.3 不同溫度處理的多孔生物質(zhì)碳的元素組成和分子結(jié)構(gòu)
        4.3.4 多孔生物質(zhì)碳的電導率
        4.3.5 多孔生物質(zhì)碳的介電常數(shù)和吸波性能
    4.4 吸波性能優(yōu)化的討論
    4.5 本章小結(jié)
第五章 石墨烯氣凝膠的吸波性能研究
    5.1 引言
    5.2 實驗部分
        5.2.1 石墨烯氣凝膠的制備
        5.2.2 儀器表征
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 石墨烯氣凝膠的微觀形貌
        5.3.2 氧化石墨烯氣凝膠和石墨烯氣凝膠的分子結(jié)構(gòu)表征
        5.3.3 石墨烯氣凝膠的介電常數(shù)和吸波性能
    5.4 本章小結(jié)
第六章 高強度多功能石墨烯雙連續(xù)泡沫的研究
    6.1 引言
    6.2 實驗部分
        6.2.1 雙連續(xù)泡沫的制備
        6.2.2 儀器表征
    6.3 結(jié)果與討論
        6.3.1 雙連續(xù)泡沫的微觀結(jié)構(gòu)
        6.3.2 雙連續(xù)泡沫的導電性和滲流閾值
        6.3.3 雙連續(xù)泡沫的力學性能
        6.3.4 雙連續(xù)泡沫的介電常數(shù)和吸波性能
        6.3.5 雙連續(xù)泡沫的吸油性能
    6.4 本章小結(jié)
第七章 全文總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 本文的創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻
致謝
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作者簡介

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