界面极化增强型TiO2/RGO吸波材料的制备方法与流程

界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法
技术领域
1.本发明属于吸波材料的制备方法技术领域，具体涉及一种界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法。


背景技术：

2.随着无线通讯设备的广泛应用，伴随产生的电磁污染已愈发严重，严重影响通讯、设备安全与人类健康，成为当下迫切需要解决的重要问题。吸波材料是能够将电磁波能量转化为其他形式的能量、减少电磁能量反射的一种材料。电磁波吸收材料应当具备吸收能力强、吸收频带宽、厚度薄、密度低、性能稳定等性能要求。传统吸波材料如铁氧体和碳系吸波剂等，已难以满足当下应用所提出的严苛要求。
3.吸波材料按吸波机理可分为磁损耗、电导损耗和介电损耗三种类型。磁损耗型吸波材料对电磁波的衰减损耗主要来自于磁性材料的共振、涡流损耗和磁滞损耗。典型的磁损耗材料如：fe、ni及其合金粉体、羰基铁等，具有强的磁损耗能力，其吸波性能受材料的微观结构、含量以及材料的阻抗匹配特性影响。但是由于磁性材料的密度一般较大，稳定性一般，趋肤效应明显，并且响应频率受限制，在高频ghz频段磁损耗明显降低，因此制约了其在吸波材料领域实际应用，尤其是x波段。电导损耗型吸波材料通过载流子与电场的相互作用来衰减电磁波。典型的电导损耗材料如碳系材料，如：石墨粉、炭黑、碳纤维、碳纳米管(cnts)等。当前碳系吸波材料的应用面临几个问题：首先，碳纳米吸波材料如cnts容易发生团聚，其在基体中的分散是一大难题；其次，由于碳材料的电导率较高，损耗能力很强，达到逾渗阈值容易形成导电通道，往往不利于满足阻抗匹配的要求，对吸波体的成分配比提出很高的要求。介电损耗型吸波材料通过电子极化、离子极化、分子极化、偶极子极化以及界面极化来衰减电磁波能量，在高频x波段电磁波，界面极化是重要的介电损耗机制。典型的介电损耗材料如：氧化锌(zno)、碳化硅(sic)、氧化钛(tio2)、钛酸钡(batio3)等。介电损耗材料的电导率相对导体材料低很多，材料内几乎没有自由电子，在外电场作用下材料内不会形成宏观电流，因此一般不会造成阻抗失配，但介电损耗能力一般不强，且需要较大的填充率才能够达到理想的吸波性能，不利于降低吸波材料的密度，性能尚有进一步优化的空间。
4.单一损耗机制吸波材料存在吸收强度低、吸收频带窄、阻抗特性差以及填充比例高等不足，限制了其实际应用。通过将不同损耗机制材料进行复合，可以获得性能更加优异的吸波材料。因此，复合型吸波材料受到广泛关注。kong等人将低介电损耗型四吡啶卟啉钴组装在高电导损耗型多壁碳纳米管表面，形成纳米异质结构，增强了异质界面的极化损耗，复合材料获得了优异的吸波性能，反射系数在x波段内小于-50db[1]。zhao等人研究了氮(n)元素掺杂纳米sic颗粒的吸波性能，sic纳米晶粒中n元素取代c元素形成元素掺杂，作为介电损耗相，并与石墨电导损耗相结合构成复合吸波材料，具有较低的介电常数实部和较高的介电损耗，反射系数在9.8～15.8ghz内均小于-10db[2]。然而并非任意两种材料复合都可以优化吸波性能。要获得优异的吸波性能，吸波材料既需要满足阻抗匹配特要求，确保
电磁波能够进入到材料内部，同时又需要具有强损耗能力，能充分吸收入射的电磁波能量。因此，针对高频x波段电磁污染，强电磁损耗和阻抗匹配的协同是开发新型吸波材料面临的关键科学难题，急需寻求一种能够满足阻抗匹配要求且界面极化、介电损耗能力强的吸波材料。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，能够制备出电导率和电导损耗能力强的吸波材料。
[0006]
本发明所采用的技术方案是，界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0008]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0009]
步骤3、将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0010]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行热处理，即得。
[0011]
本发明的特点还在于：
[0012]
步骤1乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.05～0.2mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.1～0.3mol/l。
[0013]
步骤2中均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为140～180℃，反应时间为4～10h。
[0014]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0015]
步骤4中还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种。
[0016]
步骤4中还原性气体中氢气体积分数含量为5～20％，热处理温度为500～700℃，热处理时间为1～5h。
[0017]
本发明的有益效果是：
[0018]
1)本发明一种界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，采用液相法将二维纳米go片层与tio2先驱体在微观尺度上均匀分布，go表面有大量基团，适合作为载体与tio2纳米颗粒进行复合。获得的tio2/rgo吸波复合材料中，tio2纳米颗粒均匀分布在二维纳米rgo片层表面。
[0019]
2)本发明所制备的界面增强tio2/rgo吸波复合材料，通过氢气气氛热处理在tio2纳米颗粒表面形成一层纳米级厚度的非晶态界面层，形成纳米异质界面，显著增强其介电损耗性能。
[0020]
3)本发明所制备的界面增强tio2/rgo吸波复合材料，go经氢气处理转化为rgo，电导率和电导损耗能力显著提升。
[0021]
4)本发明所制备的界面增强tio2/rgo吸波复合材料，通过调节tio2、rgo两相比例可调控复合材料的介电常数和介电损耗，所制备的tio2/rgo吸波复合材料具有可控的介电
损耗性能。
附图说明
[0022]
图1是本发明中实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的低倍透射电镜照片；
[0023]
图2是本发明中实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的高倍透射电镜照片
[0024]
图3是本发明中实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的xrd谱图；
[0025]
图4是本发明中实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的raman光谱图；
[0026]
图5是本发明中实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的介电性能曲线；
[0027]
图6是本发明中实施例4所制备的tio2/rgo吸波材料的介电性能曲线。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0029]
本发明提供界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0030]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0031]
乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.05～0.2mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.1～0.3mol/l。
[0032]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0033]
均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为140～180℃，反应时间为4～10h。
[0034]
步骤3、通过离心收集固相产物，将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0035]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0036]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行热处理，即得；
[0037]
还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种，还原性气体中氢气体积分数含量为5～20％，热处理温度为500～700℃，热处理时间为1～5h。
[0038]
通过氢气气氛热处理在tio2纳米颗粒表面形成一层纳米级厚度的非晶态界面层，形成纳米异质界面，显著增强其介电损耗性能，go经氢气处理转化为rgo，电导率和电导损耗能力显著提升。通过电导损耗型rgo与介电损耗型tio2复合，可以在较低吸波剂含量时达到较好的吸波性能，从而实现高效吸波性能。
[0039]
实施例1
[0040]
界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0041]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0042]
乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.05mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.1mol/l。
[0043]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0044]
均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为140℃，反应时间为4h。
[0045]
步骤3、通过离心收集固相产物，将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0046]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0047]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行热处理，即得；
[0048]
还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种，还原性气体中氢气体积分数含量为5％，热处理温度为500℃，热处理时间为1h。
[0049]
实施例2
[0050]
界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0051]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0052]
乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.1mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.2mol/l。
[0053]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0054]
均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为150℃，反应时间为6h。
[0055]
步骤3、通过离心收集固相产物，将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0056]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0057]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行热处理，即得；
[0058]
还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种，还原性气体中氢气体积分数含量为10％，热处理温度为600℃，热处理时间为4h。
[0059]
实施例3
[0060]
界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0061]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0062]
乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.15mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.25mol/l。
[0063]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0064]
均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为160℃，反应时间为8h。
[0065]
步骤3、通过离心收集固相产物，将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0066]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0067]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行
热处理，即得；
[0068]
还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种，还原性气体中氢气体积分数含量为15％，热处理温度为600℃，热处理时间为8h。
[0069]
实施例4
[0070]
界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0071]
步骤1、将go通过超声波处理分散在乙醇和水的混合溶液中，得到go悬浮液，然后加入钛酸四丁酯和乙醇混合溶液，通过磁搅拌，获得均匀混合溶液；
[0072]
乙醇和水的混合溶液中乙醇和水的体积比10:1，go含量为0.2mg/ml，钛酸四丁酯在均匀混合溶液中的摩尔浓度为0.3mol/l。
[0073]
步骤2、将所述步骤1的均匀混合溶液置于聚四氟乙烯内衬高压釜中，在高温状态下制得固相产物；
[0074]
均匀混合溶液在聚四氟乙烯内衬高压釜中的反应温度为180℃，反应时间为10h。
[0075]
步骤3、通过离心收集固相产物，将固相产物依次通过乙醇和水洗涤，然后真空干燥获得tio2/go纳米复合材料；
[0076]
步骤3中固相产物在无水乙醇和水中分别洗涤5min。
[0077]
步骤4、将tio2/go纳米复合材料放置管式炉中，在管式炉中通入还原性气体进行热处理，即得；
[0078]
还原性气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体中的一种，还原性气体中氢气体积分数含量为20％，热处理温度为700℃，热处理时间为5h。
[0079]
图1-2为实施例1制备的tio2/rgo纳米复合材料的透射电镜图，从图中可以看出tio2纳米颗粒粒径30nm左右，粒径分布均匀，tio2纳米颗粒均匀附载在rgo表面，从高分辨透射电镜图中可以观察到tio2纳米颗粒表面有一层接近1纳米厚的非晶态界面层。
[0080]
图3为实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的xrd谱图，图中的衍射峰与tio2相符，由于复合材料中rgo含量少，图中并没有明显的碳衍射峰出现。
[0081]
图4为实施例1所制备的tio2/rgo吸波材料的raman光谱图，可以观察到碳材料典型的d band和g band，而tio2的raman响应较弱，在低波数出有一个较弱的特征峰出现。
[0082]
图5为实施例1制备的tio2/rgo吸波材料的介电性能图，从图中可以看出介电常数实部在5.2～5.5之间，虚部在0.7～0.9之间，损耗正切小于0.2，介电损耗能力较弱。
[0083]
图6为实施例4制备的tio2/rgo吸波材料的介电性能图，从图中可以看出介电常数实部在10.3～11.1之间，虚部在3.6～4.2之间，损耗正切≈0.4，介电损耗能力适中，有利于满足阻抗匹配要求，吸波性能较好
[0084]
通过上述方式，本发明界面极化增强型tio2/rgo吸波材料的制备方法制备的吸波材料，通过氢气气氛热处理在tio2纳米颗粒表面形成一层纳米级厚度的非晶态界面层，形成纳米异质界面，显著增强其介电损耗性能，go经氢气处理转化为rgo，电导率和电导损耗能力显著提升。通过电导损耗型rgo与介电损耗型tio2复合，可以在较低吸波剂含量时达到较好的吸波性能，从而实现高效吸波性能。