一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法技术

一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法，本发明专利技术涉及电磁波吸收材料的制备技术领域。本发明专利技术要解决在低填充含量下，石墨烯介电频散特性不明显、吸波频带窄、吸收性能弱的技术问题。方法：一、制备单层石墨烯；二、制备石墨烯/铁二维异质界面场效应晶体管器件；三、制备α

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及电磁波吸收材料的制备
，具体涉及一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法。

技术介绍

[0002]5G时代的到来让万物互联的设想变成现实，进而成为行业转型升级带来支柱性技术支撑。然而，由于微波通信技术的飞速发展和电子设备的广泛使用，环境中存在的电磁辐射污染已经成为一个不可忽视的问题，它不仅干扰电子设备的操作，还会对人类健康造成伤害。近年来，厚度薄、密度低、电学性能优异的碳材料已经应用于吸波材料的制备，例如，石墨、石墨烯、炭黑和碳纳米管等等，在电磁波吸收领域显示出广泛的应用前景。
[0003]作为一种新型碳材料，石墨烯(Graphene)更有可能成为一种新型有效的电磁波吸收材料。主要原因包括以下几个方面：
①
石墨烯是由碳原子组成的六角型平面薄膜，仅仅只有一个碳原子厚度的二维材料；
②
石墨烯是世界上最薄以及最坚硬的纳米材料；
③
导热系数高于碳纳米管和金刚石，达到5300W/(m
·
K)；
④
石墨烯为目前世上电阻率最小的材料，只有10
‑6Ω
·
cm；
⑤
常温下石墨烯电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，超过15000cm2·
V
‑1·
s。与传统材料相比，石墨烯可以突破原有的局限，成为有效的新型吸波剂，满足吸波材料对“薄、轻、宽、强”的要求。因此，以石墨烯为方向研制具有宽频优异性能的吸波材料，从军事和民用、现在与将来考虑，都有重要的经济效益和价值。
[0004]目前，通过成分优化和结构设计可以改善石墨烯基材料的吸波性能，但在复合材料中石墨烯如何发挥自身的介电特性以及各组分对石墨烯的相互作用机制仍面临着不明确的问题。因此，如何充分发挥石墨烯的介电性能，是实现介电参数调控和吸收性能优化的关键挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决低填充含量下，石墨烯介电频散特性不明显、吸波频带窄、吸收性能弱的技术问题，而提供一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法。
[0006]一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法，具体按以下步骤进行：
[0007]一、将铜箔衬底放置在电解液中，进行电化学抛光，然后超声清洗，氩气吹干，放入管式炉中进行CVD，通入氩气，升温到300～310℃，然后通入氧气，将铜箔衬底氧化，然后关闭氧气，通入氢气，控制35～40min升温到1000～1005℃，再控制30～35min升温到1035～1040℃，保温30～90min，再降温到1000～1005℃；再升温到1035～1040℃，通入高纯甲烷进行石墨烯的成核生长，得到单层石墨烯；
[0008]二、将步骤一得到的单层石墨烯转移到Si/SiO2基底上，放入蒸镀样品室中，以高纯铁颗粒为蒸发源，控制本底真空度为1.0x10
‑
3 Pa，清洗蒸发舟，采用镀膜仪精准设置蒸镀铁膜的厚度，进行金属电极Cr/Au的蒸镀，得到石墨烯/铁场效应晶体管器件；
[0009]三、将六水三氯化铁溶解于乙醇溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入醋酸钠调节pH至9～11，在完全搅拌溶解，然后转移到特氟龙热压釜中，控制温度为180℃～220℃，水热处理18～24小时；冷却到室温，用去离子水和无水乙醇离心洗涤，干燥，得到α
‑
Fe2O3六边形纳米片粉末；
[0010]四、将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和步骤三得到的α
‑
Fe2O3六边形纳米片粉末分散于去离子水中，α
‑
Fe2O3六边形纳米片粉末和十六烷基三甲基溴化铵的总质量与去离子水的质量体积比为(4～6)g:(100～200)mL，控制恒温水浴温度为60℃～80℃，搅拌2～3h，自然冷却后用去离子水清洗，干燥，得到表面改性的α
‑
Fe2O3六边形纳米片粉末；
[0011]五、将石墨粉、硝酸钠、浓硫酸加入到三口烧瓶中，置于冰浴中机械搅拌，控制机械搅拌的转速为200～400r/min，搅拌过程中加入高锰酸钾，然后控制恒温水浴35～45℃，继续搅拌1.5～2.5h，反应过程中加入去离子水，反应结束后转到98～105℃油浴条件中，继续搅拌15～20min；然后降温到室温，加入去离子水和过氧化氢溶液，封口保存静置；采用体积浓度为10～15％的盐酸和去离子水离心洗涤至中性；透析一周后加入离子水，超声分散，得到氧化石墨烯悬浮液；
[0012]六、将步骤四得到的表面改性的α
‑
Fe2O3六边形纳米片粉末和步骤五得到的氧化石墨烯悬浮液超声搅拌混合，冻干；然后放入管式炉内进行热还原，还原气氛为氢气气氛或氢氩混合气氛，控制升温速率2～10℃/min，温度为350～600℃，保温时间1～3h，获得所述一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料，完成制备。
[0013]本专利技术根据金属自由电子理论，由于功函数的差异，Fe内部的自由电子(作为电子给体)可以在外加电场中向RGO(作为电子受体)形成定向输运。石墨烯/铁场效应管载流子输运特性行为证明了由于铁的引入载流子输运类型由空穴输运转变为电子输运。石墨烯/铁界面欧姆接触形式可以更好地促进铁向石墨烯的电子输运实现载流子注入。基于此理论，本专利技术利用氧化石墨烯丰富的含氧官能团与阳离子表面改性的α
‑
Fe2O3六边形纳米片通过静电吸附的方式结合，然后利用低温热还原的方法得到还原氧化石墨烯/铁纳米片(RGO/Fe)复合材料。与单纯的RGO吸收剂相比较，微量Fe纳米片的引入提升了石墨烯介电常数且表现出明显的介电频散特性。不仅提高石墨烯的电学和介电性能增强其电导损耗和弛豫极化，而且RGO与Fe纳米片面面接触形式也引入更多的界面极化，增强介电损耗性能。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]一、使用商业材料合成复合材料，合成过程不需要复杂的设备与苛刻的实验环境，本专利技术的制备工艺成本低，工艺简单，能够实现规模化生产。
[0016]二、提供了一种新型的石墨烯负载铁六边形纳米片复合材料的制备方法。
[0017]三、本专利技术方法制备的材料是一种宽频、强吸收、匹配厚度薄的吸波材料，当填充量为2wt％时，匹配厚度为2.5mm时，频率为14.39GHz时，最大反射损耗为
‑
46.71dB，有效带宽为6.73GHz(11.27
‑
18GHz)。本专利技术为石墨烯基材料的发展提供了良好的理论基础，为电磁波吸收材料的多组分复合方面提供了良好的设计思路。
[0018]四、本专利技术方法制备的石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料，其中的RGO为新型碳材料，良好的导电性以及可调性可改善其材料的吸波性能。通过微量Fe的引入，适当调整RGO/Fe的复介电常数提供了最佳的阻抗匹配，有利于入射微波进入RGO/Fe复合材料；其次，RGO/Fe的载流子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负载铁六边形纳米片复合吸波材料的制备方法，其特征在于，该方法具体按以下步骤进行：一、将铜箔衬底放置在电解液中，进行电化学抛光，然后超声清洗，氩气吹干，放入管式炉中进行CVD，通入氩气，升温到300～310℃，然后通入氧气，将铜箔衬底氧化，然后关闭氧气，通入氢气，控制35～40min升温到1000～1005℃，再控制30～35min升温到1035～1040℃，保温30～90min，再降温到1000～1005℃；再升温到1035～1040℃，通入高纯甲烷进行石墨烯的成核生长，得到单层石墨烯；二、将步骤一得到的单层石墨烯转移到Si/SiO2基底上，放入蒸镀样品室中，以高纯铁颗粒为蒸发源，控制本底真空度为1.0x10
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3 Pa，清洗蒸发舟，采用镀膜仪精准设置蒸镀铁膜的厚度，进行金属电极Cr/Au的蒸镀，得到石墨烯/铁场效应晶体管器件；三、将六水三氯化铁溶解于乙醇溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入醋酸钠调节pH至9～11，在完全搅拌溶解，然后转移到特氟龙热压釜中，控制温度为180℃～220℃，水热处理18～24小时；冷却到室温，用去离子水和无水乙醇离心洗涤，干燥，得到α
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Fe2O3六边形纳米片粉末；四、将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和步骤三得到的α
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Fe2O3六边形纳米片粉末分散于去离子水中，α
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Fe2O3六边形纳米片粉末和十六烷基三甲基溴化铵的总质量与去离子水的质量体积比为(4～6)g:(100～200)mL，控制恒温水浴温度为60℃～80℃，搅拌2～3h，自然冷却后用去离子水清洗，干燥，得到表面改性的α
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Fe2O3六边形纳米片粉末；五、将石墨粉、硝酸钠、浓硫酸加入到三口烧瓶中，置于冰浴中机械搅拌，控制机械搅拌的转速为200～400r/min，搅拌过程中加入高锰酸钾，然后控制恒温水浴35～45℃，继续搅拌1.5～2.5h，反应过程中加入去离子水，反应结束后转到98～105℃油浴条件中，继续搅拌15～20min；然后降温到室温，加入去离子水和过氧化氢溶液，封口保存静置；采用体积浓度为10～15％的盐酸和去离子水离心洗涤至中性；透析一周后加入离子水，超声分散，得到氧化石墨烯悬浮液；六、将步骤四得到的表面改性的α
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F...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小萧，张凯丽，刘亚南，刘玉浩，夏龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：