nirgo复合材料的制备-综合性试验报告

综合性实验报告学生专业材料成型及控制工程学生姓名学生学号实验课题NI/RGO复合材料的制备同组学生指导教师所在学院机电工程学院报告日期2016年6月26日NI/RGO复合材料的制备1、背景介绍随着电子和信息技术的发展，电子产品的普及，在满足人们生活需要的同时，使得电磁波在人们的日常生活中广泛存在，而电磁辐射过高就会超出身体和环境能够承受的上限，形成电磁污染，对身体健康形成严重危害。在军事领域，雷达仍然是现代战争中搜寻目标的惯用手段。研制高效吸收电磁波的雷达隐身材料是提高武器系统生存能力的有效途径之一，已经成为现代战争中最具有价值、最有效的战术突防手段。因此，吸波材料在民事和军事上都有广泛的研究价值和应用前景。石墨烯是最近新兴的研究热点，许多研究集中在其制备和复合上，目前关于其吸波性能的相关报道极少，这是一个研究热点中的盲点。本实验采用的水热还原法制备的石墨烯比表面积大，能够吸附颗粒，而且具有良好的热稳定性及化学稳定性。并且其残留的缺陷及表面悬挂化学键，在交变电磁场中原子、电子容易磁化、极化来更有效地损耗电磁波。很适合作为载体来吸附磁性纳米粒子，而且可以有效解决磁性纳米粒子分散性差、易团聚的难题。但是正是由于石墨烯优异的导电性，反而不能作为吸波材料。因为优异的导电性会引起涡流损耗和阻抗的不匹配性，使电磁波不能进入到吸波材料的内部，大部分停留在材料的表面，从而电磁波是反射而非吸收。另一方面，石墨烯的损耗机制是介电损耗，而没有磁损耗，从而也会影响材料的阻抗匹配性。因此，想要提高石墨烯的吸波性能，最有效的办法是和磁性材料的复合，从而使其复合材料的导电性降低和阻抗匹配性提高。磁性金属材料由于具有较大的饱和磁化强度以及更高的SNOEK极限，其共振频率在GHZ频段内，远超越铁氧体类，另一方面，磁性金属也是一种双重损耗机制的吸波材料。所以，近年来，磁性金属材料越来越多的应用于电磁吸波领域。磁性金属材料虽然表现出优异的吸波性能，但是他们都有致命的缺点易于氧化，同时由于是金属，优异的导电性会引起涡流损耗，可能会不利于吸波性能。而减小磁性金属材料的尺寸和制备复杂结构的材料可以减小磁性金属材料的导电性，从而减少涡流损耗和增大阻抗匹配，进而提高其吸波性能。但是抗氧化性的问题并没有解决，所以未来的研究重点是磁性金属材料和其他耐氧化的物质复合提高其实际应用的抗氧化性。因此，我们考虑将介电损耗型的石墨烯和磁损耗型的磁性金属NI粉体复合。介电层有利于阻止金属氧化，发挥不同损耗机理的协同作用；有利于改善吸波性能；由于新增加了界面，表面极化弛豫也会有利于对电磁波的损耗；不同种材料的界面处电磁波的多重反射吸收也有利于增强吸波。并且石墨烯片层和磁性金属的有效结合，可使NI作为石墨烯片层间的间隔物质，减小石墨烯片层的凝聚和重堆积。有效地对磁性金属进行改性，并综合提高吸波材料的性能。本文旨在尝试在制备工艺已经成熟的石墨烯纳米片层中，运用水热还原法在石墨烯的片层间加入磁性金属NI，合成磁性金属和石墨烯的复合物，制备综合性能优良的复合吸波材料。2、实验部分21石墨烯及NIRGO吸波材料的制备采用改进的HUMMERS法制备氧化石墨。先在烧杯中加入浓硫酸，把烧杯放在冰水浴中，使浓硫酸温度达到0。然后称取适量鳞片石墨，在搅拌下依次加入NANO3和石墨粉，之后再缓慢加入一定量的高锰酸钾，水浴35，间歇搅拌90MIN后停止反应。再将烧杯转移至在冰水浴中，并滴加去离子水。之后用稀盐酸和去离子水洗至中性，即可得到氧化石墨。接着采用原位还原沉积法制备NI/RGO吸波材料。取10ML制得的氧化石墨，30ML无水乙醇，搅拌20MIN。然后加入05MMOL六水氯化镍继续搅拌30MIN。再加入4ML水合肼，搅拌30MIN后移至反应釜中，并放入到提前升温至180的干燥箱中保温12H，即可得到NI/RGO吸波材料。22结构与表征采用X射线衍射分析仪XRD，XD3型，北京普析通用仪器有限责任公司对样品的相位进行分析；使用傅里叶红外光谱仪FTIR，NICOLETIS10，美国赛默飞世尔公司对结构进行表征；使用扫描电镜SEM，JSM7001F型，日本电子株式会社观察样品的表面形貌。3、结果和讨论31XRD分析图1样品的XRD谱图A氧化石墨,BNI/RGO1,CNI/RGO2,DNI/RGO3,ENI/RGO4图1是样品的XRD谱图。当石墨经高锰酸钾，浓硫酸氧化后，石墨的002面的衍射峰会逐渐减小，并且变弱，峰宽增加，直至消失，衍射峰的位置移至92附近，此峰即为氧化石墨的001面衍射峰，结果表明石墨被氧化之后，石墨原有的晶体结构被破坏，生成了新的晶体结构，并且由于在石墨被氧化的过程中，C与O之间形成共价键，在石墨片层表面引入了CHO、OH、COOH等悬挂键，破坏了天然石墨原有的密堆结构，导致氧化石墨的层间距变大。当氧化石墨和NI2经氢氧化钠，水合肼在高温高压下还原后,氧化石墨的特征衍射峰消失，同时，图1BE出现三个新的衍射峰443,517,763，分别对应111,200,220晶面，由此可以判断出氧化石墨被还原，并得到面心立方NI，NI/RGO复合材料被成功制备。在各NI/RGO复合材料中，随着NI含量的增加，晶体结构的完整性增加，样品1表面的金属NI颗粒在晶体结构上可能具有一定的缺陷，而晶体缺陷对微波吸收性能具有一定的促进作用。32FTIR分析图2样品的FTIR谱图A氧化石墨,BNI/RGO1,CNI/RGO2,DNI/RGO3,ENI/RGO4图2是样品的红外测试谱图。图2A是氧化石墨的红外测试谱图，石墨经高锰酸钾、浓硫酸氧化处理后，在石墨片层上插入了大量的悬挂键，出现很多吸收峰，在3442CM1处为OH羟基的伸缩振动峰，该峰宽而突出，这表明经过氧化后，石墨片层上插入了大量的OH基团。1735CM1代表着羧基上CO的伸缩振动峰，表明石墨片层上引入了羧基。1400CM1，1058CM1，659CM1振动峰分别代表羧基中的OH基团，CO基团振动峰，醇或者酚中的OH基团，而1624CM1则是石墨中未被氧化的CC骨架10,11。图2BE中15776CM1，15806CM1，15783CM1，1560CM1振动峰均代表石墨中未被氧化的CC骨架，415CM1，410CM1，6685CM1则是由于金属NI对石墨烯的激发作用产生的振动吸收峰10,11。图2CE中出现的23614CM1，23613CM1，23604CM1吸收振动峰均代表氧化石墨中未被还原的CC基团。由此可以推断，石墨经高锰酸钾，浓硫酸氧化后片层之间插入了大量的含氧官能团，而经过氢氧化钠和水合肼的还原作用后，含氧官能团在一定程度上被有效地去除，而复合材料中残留的含氧官能团则能够有效地降低复合材料的导电性能，降低涡流损耗，提高复合材料的吸波性能。33SEM图3样品的SEM图A天然石墨,B氧化石墨，CNI/RGO1,DNI/RGO2,ENI/RGO3,FNI/RGO4图3是样品的SEM图。图3A，天然石墨，呈碎片状分布，片层较厚。图3B，氧化石墨，片层间距较大，且在片层周围有明显的褶皱和毛边，这是羟基、羧基和环氧基等含氧官能团的引入的结果。如图3CF，NI颗粒附着在石墨烯表面，或者被石墨烯包裹，且分散程度，形貌特征及尺寸均匀性不一。特别地，如图3C，样品1中的NI颗粒被石墨烯均匀地包覆，这样有利于阻止NI颗粒的团聚，使其达到较好的分散性，而良好的分散性在一定程度上增强材料的微波吸收性能。同时，样品1中的NI粒子的尺寸较小约为100NM，较小的颗粒尺寸可以很好地抑制金属NI产生的涡流效应，并对材料的吸波性能有一定的促进作用。4、总结通过水热原位还原法成功制备了NI/RGO复合材料，并通过XRD，FTIR，SEM对其物相、形貌等进行了表征，结果显示，直径为100NM的颗粒状金属NI被均匀负载到石墨烯表面。可以预期，金属NI颗粒的引入一定能提高材料的吸波性能。5、个人感想这次综合性实验，让我有机会能够总结一下本科阶段学到的专业知识，也让我对科学研究有了新的认识。虽然我本科阶段的专业课大都是和金属相关的，但是，这并不影响我对石墨烯的兴趣。同时，也让我掌握了一些做科学研究的思路和方法，学会使用了一些实验设备，印证了老师上课时传授给我们的知识。感谢老师给我们的这次机会，谢谢老师，我也希望我能够沿着科研这条路走下去6、参考文献1郭晓琴，余小霞，王永凯，张锐，石墨烯纳米片的制备与介电性能研究2MAYANWEN，LIUZHONGRU，WANGBO，ZHULEI，YANGJIANPING，LIXINGAO，PREPARATIONRREPARATLONOF0GRAPHENESUDPORTEDGRAPNENESUDPORTEDPTCORTUNANOPARTICLESNANOPARTICLESANDANDTHEIRUSEINOXYGENREDUCTIONREACTIONS3王超等，NICO与石墨烯及其复合材料的制备及吸波性能4ZHANGQM，LIHF，MARTINP，ETALNATURE，2002，419192842875党志敏DANGZM，王海燕WANGHY，彭勃PENGB中国电机工程学报6LAIQ，LEEBI，EXARHOSGJADVMATER，2005，1717771781PROCEEDINGSOFTHECSEE，2006，2615100107KIMP，J