CN111847429B - 三维石墨烯吸波材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维石墨烯吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1制备氧化石墨烯水溶液；S2制备聚合物微球/碳的前驱体；S3将还原助剂加入到氧化石墨烯水溶液中得到混合液，然后向混合液中加入前驱体，混合得到反应液,然后再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4将三维石墨烯水凝胶浸入有机溶剂中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶进行清洗干燥；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在惰性气氛中烧蚀得到多孔三维石墨烯吸波材料。本发明中的三维石墨烯吸波材料孔径大小、体积可实现自由可控，通过控制吸波材料的孔径大小和体积，可实现对不同电磁波吸收的自由设计。
Description
【技术领域】
本发明涉及电磁波吸收材料领域，尤其涉及一种三维石墨烯吸波材料的制备方法及应用。
【背景技术】
三维石墨烯为轻质多孔结构，有望替代传统的吸波材料，解决目前航空航天、电子设备等用吸波材料密度高、厚度大等难题。三维石墨烯对电磁波的吸收，一方面与其本身碳质材料有关；另一方面源于其多孔结构对电磁波产生反射、散射及干涉作用而吸收电磁波，其中孔径大小及分布对电磁波的吸收具有较大影响。但现有技术制备三维石墨烯时存在孔径大小不易控制、孔径分布不均的问题，因此导致三维石墨烯材料的电磁波吸收性能不理想。
【发明内容】
为解决上述技术问题，本发明提供一种三维石墨烯吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1制备氧化石墨烯水溶液；S2制备聚合物微球/碳的前驱体；S3将还原助剂加入到氧化石墨烯水溶液中得到混合液，然后向混合液中加入前驱体，混合得到反应液,再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4将三维石墨烯水凝胶浸入有机溶剂中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶进行清洗和干燥；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在惰性气氛中烧蚀得到多孔三维石墨烯吸波材料。本发明中的三维石墨烯吸波材料孔径大小、体积可实现自由可控，通过控制吸波材料的孔径大小和体积，可实现对不同电磁波吸收的自由设计。
在本发明的一些实施例中，所述聚合物微球粒径在0.8mm-6mm之间。
在本发明的一些实施例中，所述聚合物微球包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种或多种。
在本发明的一些实施例中，所述前驱体的制备步骤包括：(1)将聚合物微球分散于水溶液中，得到悬浊溶液；(2)将有机碳源加入上述分散有聚合物微球的溶液中；(3)在30℃-60℃使步骤(2)中得到的溶液自组装反应14h-72h；(4)向反应后的溶液中加入强氧化性酸使有机碳源碳化；(5)经过滤、清洗及干燥后即得到聚合物微球/碳的前驱体。
在本发明的一些实施例中，所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖、麦芽糖、淀粉或纤维素中的一种或多种。
在本发明的一些实施例中，按质量分数计，所述有机碳源：聚合物微球：强氧化性酸为1:(5-10):(0.2-0.5)。
在本发明的一些实施例中，所述氧化石墨烯水溶液与还原助剂的质量比为1:(2-5)，所述前驱体与混合液的质量比为1：(20-60)，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1mg/ml-10mg/ml。
在本发明的一些实施例中，所述S5中的干燥为冷冻干燥，冷冻温度为-40℃--20℃，冷冻时间为10h-24h；冷冻结束后采用3-6℃/min的升温速度，升温至40℃-60℃，干燥时间24h-72h。
本发明还公开一种由上述或下述制备方法得到的三维石墨烯吸波材料在电磁波吸收、隐身方面的应用，尤其适用于对x和ku波段的电磁波的吸收。
本发明提供一种三维石墨烯吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1制备氧化石墨烯水溶液；S2制备聚合物微球/碳的前驱体；S3将还原助剂加入到氧化石墨烯水溶液中得到混合液，然后向混合液中加入前驱体，混合得到反应液,然后再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4将三维石墨烯水凝胶浸入有机溶剂中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶进行清洗干燥；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在惰性气氛中烧蚀得到多孔三维石墨烯吸波材料。本发明中的三维石墨烯吸波材料孔径大小、体积可实现自由可控，通过控制吸波材料的孔径大小和体积，可实现对不同电磁波吸收的自由设计。
【附图说明】
图1本发明一种三维石墨烯吸波材料的制备流程图；
图2为样品1-3与未经处理的石墨烯在不同频率下的反射曲线。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
S1用hummer法制备浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液备用；S2将粒径为0.8mm的聚苯乙烯微球分散于水溶液中，得到悬浊溶液，然后将葡萄糖加入上述分散有聚合物微球的溶液中，在55℃使其自组装反应30h，然后向反应后的溶液中加入浓硫酸使葡萄糖碳化，再经过滤、清洗及干燥后得到聚苯乙烯微球/碳的前驱体，其中葡萄糖：聚乙烯微球：浓硫酸的质量比为1:5：0.2；S3：将抗坏血酸加入氧化石墨烯水溶液中得到混合液，氧化石墨烯水溶液与还原助剂的质量比为1:5，然后向混合液中加入前驱体，前驱体与混合液的质量比为1：20，混合得到反应液,再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4：将三维石墨烯水凝胶浸入甲苯中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶用乙醇和去离子水进行清洗，然后冷冻干燥，冷冻温度为-40℃，冷冻时间为10h；冷冻结束后采用3℃/min的升温速度，升温至40℃，干燥时间48h；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在氮气气氛中，900℃条件下烧蚀1h,然后以10℃/min的退火温度冷却至室温，得到多孔三维石墨烯吸波材料，即样品1。
实施例2
S1用hummer法制备浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水溶液备用；S2将粒径为2mm的聚苯乙烯微球分散于水溶液中，得到悬浊溶液，然后将葡萄糖加入上述分散有聚合物微球的溶液中，在30℃使其自组装反应72h，然后向反应后的溶液中加入浓硫酸使葡萄糖碳化，再经过滤、清洗及干燥后得到聚苯乙烯微球/碳的前驱体，其中葡萄糖：聚乙烯微球：浓硫酸的质量比为1:10:0.5；S3：将氢碘酸加入氧化石墨烯水溶液中得到混合液，氧化石墨烯水溶液与还原助剂的质量比为1:2，然后向混合液中加入前驱体，前驱体与混合液的质量比为1：60，混合得到反应液,再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4：将三维石墨烯水凝胶浸入甲苯中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶用乙醇和去离子水进行清洗，然后冷冻干燥，冷冻温度为-40℃，冷冻时间为20h；冷冻结束后采用6℃/min的升温速度，升温至60℃，干燥时间24h；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在氮气气氛中，900℃条件下烧蚀1h,然后以10℃/min的退火温度冷却至室温，得到多孔三维石墨烯吸波材料，即样品2。
实施例3
S1用hummer法制备浓度为10mg/ml的氧化石墨烯水溶液备用；S2将粒径为6mm的聚甲基丙烯酸甲酯微球分散于水溶液中，得到悬浊溶液，然后将葡萄糖加入上述分散有聚合物微球的溶液中，在60℃使其自组装反应72h，然后向反应后的溶液中加入浓硫酸使葡萄糖碳化，再经过滤、清洗及干燥后得到聚甲基丙烯酸甲酯微球/碳的前驱体，其中葡萄糖：聚甲基丙烯酸甲酯微球：浓硫酸的质量比为1:6:0.5；S3：将氢碘酸加入氧化石墨烯水溶液中得到混合液，氧化石墨烯水溶液与还原助剂的质量比为1:3，然后向混合液中加入前驱体，前驱体与混合液的质量比为1：45，混合得到反应液,再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；S4：将三维石墨烯水凝胶浸入四氢呋喃中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；S5将多孔三维石墨烯水凝胶用乙醇和去离子水进行清洗，然后冷冻干燥，冷冻温度为-40℃，冷冻时间为20h；冷冻结束后采用3℃/min的升温速度，升温至50℃，干燥时间24h；S6将S5中制备的三维石墨烯材料在氮气气氛中，900℃条件下烧蚀1h,然后以10℃/min的退火温度冷却至室温，即得到多孔三维石墨烯吸波材料，即样品3。
对比例1
用hummer法制备浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液备用；将抗坏血酸加入氧化石墨烯水溶液中得到反应液，氧化石墨烯水溶液与抗坏血酸的质量比为1:5，在55℃使其自组装反应得到三维石墨烯水凝胶，清洗，冷冻干燥后得到未经改性处理的三维石墨烯，即未处理的石墨烯。
将实施例1至实施例3和对比例1中得到的三维石墨烯复合材料裁切成180mm*180mm*10mm大小的平板件，将上述裁剪后的样品分别放入吸波暗室测试其在2～18GHz的反射率曲线，其结果如图2所示。由测试结果可知，复合材料在6～18GHz频段内具有吸收频带宽、吸波效果好的特点，尤其对x和ku波段的电磁波具有较好的吸收效果。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (9)
1.一种三维石墨烯吸波材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1制备氧化石墨烯水溶液；
S2制备聚合物微球/碳的前驱体；
S3将还原助剂加入到氧化石墨烯水溶液中得到混合液，然后向混合液中加入前驱体，混合得到反应液,然后再由该反应液制备得到包覆了前驱体的三维石墨烯水凝胶；
S4将三维石墨烯水凝胶浸入有机溶剂中浸泡，除去三维石墨烯水凝胶中的聚合物微球，得到多孔三维石墨烯水凝胶；
S5将多孔三维石墨烯水凝胶进行清洗干燥；
S6将S5中制备的三维石墨烯材料在惰性气氛中烧蚀得到多孔三维石墨烯吸波材料；
其中，所述前驱体的制备步骤包括：(1)将聚合物微球分散于水溶液中，得到悬浊溶液；(2)将有机碳源加入上述分散有聚合物微球的溶液中；(3)在30℃-60℃使步骤(2)中得到的溶液自组装反应14h-72h；(4)向反应后的溶液中加入强氧化性酸使有机碳源碳化；(5)经过滤、清洗及干燥后即得到聚合物微球/碳的前驱体。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球粒径在0.8mm-6mm之间。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖、麦芽糖、淀粉或纤维素中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按质量分数计，所述有机碳源：聚合物微球：强氧化性酸为1:(5-10):(0.2-0.5)。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯水溶液与还原助剂的质量比为1:(2-5)，所述前驱体与混合液的质量比为1：(20-60)，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1mg/ml-10mg/ml。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S5中的干燥为冷冻干燥，冷冻温度为-40℃--20℃，冷冻时间为10h-24h；冷冻结束后采用3-6℃/min的升温速度，升温至40℃-60℃，干燥时间24h-72h。
8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的三维石墨烯吸波材料在电磁波吸收、隐身方面的应用。
9.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的三维石墨烯吸波材料用于对x和ku波段的电磁波的吸收。
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