高效磁性纳米晶/掺杂石墨烯协同微波吸收体的微纳结构和界面效应研究

This work focuses on the fabrication and characterization of the electromagnetic wave absorption materials which are the key technologies for radio communications and military in the future. Various chemical routes will be adopted to synthesize a series of doping graphene-based magnetic hybrids. Through changing the types and amounts of the doping elements, the types, sizes, shape and loading amounts of the magnetic nanoparticles anchored on the doping graphene as desire, Doping graphene nanosheets anchored by uniform magnetic nanoparticles without “dead area” of null magnetic components are aimed to used as microwave absorption materials with high-performance, low-energy and low density properties. This work aims to establish the physical model for the microwave absorption mechanism of the hybrids in terms of the nanostructure and interfacial effect. Combining both the benefits of remarkable complex permeability from magnetic nanoparticles and permittivity from light-weight graphene, the composites are promised to be novel light-weight absorbing materials to be applied in communications in the future.

本项目将围绕未来信息通讯和军事雷达领域发展的关键技术—微波吸收材料展开。拟采用化学法制备出一系列负载有不同磁性纳米颗粒的掺杂石墨烯基复合材料。按照需求调控复合材料中掺杂石墨烯上的掺杂源和杂化度以及磁性颗粒的种类、形貌、尺寸和负载量等，制备出无“磁死层”存在以及不团聚的磁性纳米颗粒/掺杂石墨烯复合材料，获得能用于GHz频段的高性能、低能耗、低密度的微波吸收材料。分析复合材料的微纳结构和界面结合作用，探讨微纳结构和界面效应对其作为协同电磁波吸收体的影响。从复合材料的微纳结构和界面效应层次研究其吸波机理，建立其抗电磁干扰的物理模型。结合掺杂石墨烯介电常数可调、密度小的特点和磁性纳米颗粒优异的磁特性，该复合物有望成为新型轻质量吸波材料而广泛用于未来的通讯领域。

吸波材料是一类用来有效降低电磁辐射污染与提高电子设备在复杂电磁环境中工作能力的常用材料，它在电磁屏蔽与隐形飞机方面也具有非常重要的潜在价值。而本领域现在研究的热点与难点是开发厚度薄、密度小、吸波能效高、吸收频带宽、环境适用性好的新型吸波材料。根据文献调研，磁性纳米颗粒与石墨烯之间的界面结合效应（如磁性纳米颗粒在石墨烯上的晶体取向排列方式、磁性颗粒与石墨烯的界面结合方式和界面结合面积等）对吸波体吸波效能的影响研究较少。本项目主要从“磁性纳米颗粒/掺杂石墨烯”复合材料的自身构织、微纳结构、结合方式以及界面效应等微观角度研究了相应的吸波机理，研究复合材料中电损型石墨烯和磁性颗粒间的协同相互作用，提高其电磁波吸收特性。在此基础上，构建相关物理模型，并详细阐述了电磁波的吸收与损耗机理，为未来新型吸波材料的设计提供理论指导。此外，本项目还开展了形状、尺寸与成分可控的纳米材料（ZnO、Fe3O4、NdOCl、Fe掺杂Gd(OH)3）的制备、磁性研究和理论计算，从而为“磁性纳米颗粒/掺杂石墨烯”复合材料的制备提供了指导。本项目在Carbon, Chem. Eng. J, J. Magn. Magn. Mater., J. Mater. Sci., Ceram. Int., J. Alloy. Compd.等国际学术期刊上发表16篇学术论文，其中SCI高被引2篇。