河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

石墨烯材料的微波吸收性能因其较高的介电常数和超低的磁损耗能力而受到严重阻碍,我们报告了氟化氮化硼纳米片支撑的石墨烯量子点复合材料,氟化氮化硼纳米片的低介电常数和铁磁性不仅减少了微波反射还增强了磁损耗,并帮助GQDs克服了亲水性。通过调节石墨烯量子点的尺寸发现GQDs/F-BNNs的吸收带宽和反射损耗(RLmin)与GQDs的尺寸密切相关。

随着电子信息时代的到来,由电磁辐射引起的电磁干扰和污染问题变得愈发严重。因此,开发一种理想的微波吸收材料成为了科研领域中的一项热点问题。为了解决电磁辐射和电磁干扰,许多研究人员进行了各种尝试。自从2004年石墨烯被成功制备以来,围绕着石墨烯的制备、性能、结构等领域的研究层出不穷,石墨烯吸波材料的随之产生。但是在随后的研究中发现,石墨烯材料的微波吸收性能因其较高的介电常数和超低的磁损耗能力而受到严重阻碍。在此,我们在前期工作的基础上(Carbon, 2021, 182: 134-143.),报告了氟化氮化硼纳米片支撑的石墨烯量子点(GQDs/F-BNNs)复合材料。研究结果表明,氟化氮化硼纳米片的低介电常数和铁磁性不仅减少了微波反射还增强了磁损耗,并帮助GQDs克服了亲水性。通过调节石墨烯量子点的尺寸发现GQDs/F-BNNs的吸收带宽和反射损耗(RLmin)与GQDs的尺寸密切相关。

近日,来自河北工业大学的唐成春教授、房毅副教授等人在《Carbon》上发表了题为“Controllable fabrication of novel graphene quantum dots/fluorinated boron nitride ultralight composites for broadband and high performance microwave absorption”的文章,此项工作可以为新型微波吸收材料的开发提供新的可行性思路。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622321010216

河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

根据GQDs和F-BNNs的各自特性,采用一步水热法设计并制备了在F-BNNs表面加载不同尺寸GQDs(75、25、15和5nm)的复合材料。研究了GQDs尺寸对复介电常数和复磁导率的影响并且测量了四种GQDs/F-BNNs样品的反射损耗(RL)、衰减常数(α)、阻抗匹配率(Zin)等参数,比较了负载不同尺寸GQDs的复合材料微波吸收性能的变化。根据实测数据,GQDs尺寸的减小有利于材料微波吸收强度的提高。最优样品的RLmin值达到-66.69 dB且吸收宽度达到11.6 GHz。当吸收频率进一步增加到19~27和28~40 GHz时,样品的RL也小于-10 dB。同时,F-BNNs的引入不仅调节了单一GQDs的阻抗匹配,而且可帮助GQDs有效的克服亲水性带来的性能衰减。

河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

图1.(a) GO;(b)未成形的GQDs和 (c-f) 不同尺寸GQDs的TEM图像;(g)GQDs在水中(450 nm)的PL光谱;(h,i) 自然光和紫外光(365 nm)下的GQDs。

以GO为前驱体,在KOH的作用下通过改变反应时间得到不同尺寸的GQDs。反应5小时后,GO的形态发生了变化,可看出转化为GQDs的趋势(图1b)。当反应时间继续增加到一定时间后,可分别制备出不同尺寸(75、25、15和5nm)的GQDs。随着GQDs尺寸的变化,光致发光特性随之改变。在450 nm波长光激发下,四种GQDs的发射峰发生蓝移,特征峰分别为542、537、533和526nm(图 1g)。四种GQDs在可见光下均呈浅棕色,而在紫外光下颜色略有变化,这与PL光谱测试的结果相同。

河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

图2.(a)S1, (b) S2, (c) S3, (d, e) S4的TEM图像;(f)S4的HAADF图像、EDS能谱和元素分布图。

为了获得具有优异微波吸收性能的材料,将不同尺寸的GQDs 与氟化BNNs复合。在水热反应后,不同尺寸的GQDs均可均匀地加载在F-BNNs上(图2a-e)。GQDs和F-BNNs的晶面相互重叠,晶格条纹非常明显,证实B、C、N、F元素分布的均匀性。

河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

图3.(a-d) S1、S2、S3和S4在2~18 GHz频率范围内的三维RL图像。

RL是反映样品吸波性能的重要参数,当RL<-10 dB表示90%以上的微波能量衰减。负载GQDs后F-BNNs的微波吸收性能有了显著提高,并且由于不同尺寸的GQDs的带隙差异,其对吸波性能提升效果有所区别。

河工大《Carbon》:一种新型超轻复合材料的可控制备及吸波性能!

图4. 复合材料的微波吸收机理示意图。

【课题组介绍】

河北工业大学氮化硼材料研究中心(主任:唐成春教授)依托材料物理与化学国家重点学科、河北省微纳氮化硼材料重点实验室及“六方氮化硼制备及应用关键技术”教育部创新团队,致力于氮化硼基新材料的绿色合成、性能探索以及应用开发的基础理论和实验研究。研究涉及氮化硼基导热绝缘聚合物、微纳结构氮化硼、新型吸附材料、新型非稀土发光材料、立方氮化硼材料、吸透波材料等方向。近年来,先后承担国家、省市级科研项目20余项,共获得省部级奖励4项,获得授权专利70余项。课题组主页:http://www.nanobn.cn/zh/

欢迎感兴趣的硕士和博士、博后加入,发送简历至邮箱:tangcc@hebut.edu.cn

本文来自材料科学与工程,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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