低温烧结石墨烯增强莫来石复相陶瓷及其电磁屏蔽性能研究

The electromagnetic pollution has been becoming a more and more serious problem in our society due to the growing application of microwave especially from X band, which urges the study of materials with both good mechanical and electromagnetic interference (EMI) shielding properties. However, the most studied materials are mainly concentrated on polymer based composites which can hardly meet the requirements for strength, hardness, tribology and other mechanical properties at high temperature. In this proposal, the applicant proposes a ceramic composite with probable both excellent wave absorbing effectiveness and mechanical properties, in which the matrix is mullite with light weight, low dielectric coefficient and outstanding mechanical properties at high temperature, and the wave absorber is graphene of high electrical conductivity and specific surface area. We plan to adopt the heteroaggregation as the scheme for preparing composite powder consisting of silica coated alumina as precursor of mullite. In addition, the surface charge will be controlled deliberately to realize uniform mixing of composite powder, and the fully dense composite could be obtained at relatively low sintering temperature because of the viscous sintering effect of amorphous silica. After the successful preparation of graphene/mullite composite, the influence of graphene on EMI sheilding effectiveness and mechanical properties will be studied and the optimization by designing gradient material will be explored as well.

随着电磁波特别是X波段的电磁波在通讯、民用航空以及军工上的广泛应用，对电磁屏蔽性能与机械性能兼优的结构-功能一体化陶瓷的开发就显得十分重要。然而，目前对于电磁屏蔽材料的研究主要集中在以高分子复合材料上，难以满足对强度、硬度、磨损以及高温力学性能等的要求。本项目拟在申请人前期工作的基础上，通过制备以轻量、低介电常数、高温力学性能优异的莫来石为基体，以高电导、高比表面积的石墨烯为损耗相的陶瓷复合材料，以期达到电磁屏蔽与力学性能兼具的目的。本项目拟采用异相沉积法为制备思路，利用二氧化硅包裹的氧化铝为莫来石前驱物粉体，通过对粉体表面电荷的调控实现复合粉体的均匀混合；利用二氧化硅粘性烧结的特性，可望在较低温度下实现莫来石复合陶瓷的致密化。在此基础上，研究石墨烯对电磁屏蔽性能以及力学性能的影响影响和机理，并探索利用梯度材料优化电磁屏蔽性能的可能性。

本项目通过制备以轻量、低介电常数、高温力学性能优异的莫来石为基体，以高电导、高比表面积的石墨烯为损耗相的陶瓷复合材料，以达到电磁屏蔽与力学性能兼具的目的。本项目采用异相沉积法为制备思路，利用二氧化硅包裹的氧化铝为莫来石前驱物粉体，通过对粉体表面电荷的调控实现复合粉体的均匀混合；利用二氧化硅粘性烧结的特性，在较低温度下实现莫来石复合陶瓷的致密化，在1200℃获得了烧结致密的莫来石陶瓷材料。石墨烯/莫来石在整个K波段中可以获得较大的损耗角正切和EMI屏蔽效果（> 32 dB），当石墨烯含量不高时，复相陶瓷显示出大大提高的强度和韧性，这使得它们可以用作高效EMI屏蔽材料的同时提供优异的机械性能。在此基础上，研究石墨烯对电磁屏蔽性能以及力学性能的影响影响和机理。最后，还对石墨烯气凝胶和二维过渡金属碳化物的电磁波吸收性能进行了研究；通过优化的介电性能，密度极低的石墨烯气凝胶（4.5 mgcm-3）在K波段的1.14 mm厚度处表现出显着的最小反射损耗（RLmin）-50 dB。此外，通过将磁性Fe3O4 @ C微球掺入密度控制的气凝胶中，可以获得更高的衰减能力而又不牺牲阻抗匹配。 Fe3O4 @ C /石墨烯气凝胶复合材料在厚度小于1 mm时RLmin达到-54.0 dB并具备可以覆盖80％K频带的有效带宽的卓越吸波性能；在具有最佳SiO2包覆层厚度的复合材料中，实现了X波段-34.33 dB mm-1和Ku波段-55.68 dB mm-1的极低比反射损耗。此外，在整个X和Ku波段中，只要匹配厚度小于2 mm，始终可以实现低于-20 dB的反射损耗（吸波效率超过99％）。这些发现表明，二维核-边缘MXene @ SiO2纳米板可以用作各种便携式设备中的超薄微波吸收剂。