摘要
随着电子信息技术的迅猛发展，电磁波已经被世界卫生组织列为新的环境污染源。具有高效电磁屏蔽材料的制备和应用是解决日益严峻的电磁波污染问题的有效途径。导电聚合物基复合材料（conductive polymer matrix composites，简称CPCs）凭借其轻质、耐腐蚀、易加工以及成本较低等优势，成为如今电磁屏蔽材料的研究热点。在众多CPCs填料中，石墨烯凭借其超高的比表面积、优异的导电性以及力学性能等优势，是制备结构功能一体化CPCs的理想增强相材料。然而，石墨烯在实际应用中很容易发生团聚，导致CPCs的制备成本增大、加工性能较差，并且需较大含量才能使复合材料达到预期的电磁屏蔽效能。因此，将石墨烯构筑成更加有效和完善的导电网络以降低填料含量，同时提高其导电性能及电磁屏蔽效能对于目前制备高效电磁屏蔽复合材料具有重要研究意义。 本论文首先以氧化石墨烯（graphene oxide，简称GO）水分散液为原料，采用定向冷冻、常规冷冻这两种方法，经冷冻干燥及热处理后分别制得了热退火各向异性的石墨烯气凝胶（thermally annealed anisotropic graphene aerogel，简写为TAGA）和热退火各向同性的石墨烯气凝胶（thermally annealed isotropic graphene aerogel，简写为TIGA），最后通过真空辅助浸渍回填法制备了具有不同GA结构的石墨烯气凝胶/环氧树脂电磁屏蔽复合材料。对比研究了不同冷冻方式下GA的不同结构形貌，并通过改变GO水分散液初始浓度，研究了不同GO浓度制得的GA在轴向和径向上的微观结构，从而确定了制备各向异性石墨烯气凝胶的最佳GO初始浓度为6mg/mL。通过改变热处理温度，研究了不同热处理温度对TAGA的化学结构、TAGA/EP电导率、电磁屏蔽效能以及力学性能的影响。结果表明，经1600℃热处理后，TAGA/EP复合材料轴向上电导率达到45.6S/m，此时复合材料中石墨烯的含量仅为0.16wt%，并且在X波段（8.2~12.4GHz）范围内，TAGA/EP复合材料径向上的EMI SE达到32dB。同时，TAGA/EP-1600℃在径向上的压缩强度和储能模量分别比纯环氧树脂提升了37%和130%，轴向上的压缩强度低于纯环氧树脂。 接下来，为进一步提升石墨烯气凝胶/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的电磁屏蔽效能，本论文通过原位生长的方式将磁性Fe3O4纳米粒子自主均匀地生长并负载于石墨烯气凝胶三维网络骨架上，制得了Fe3O4@石墨烯气凝胶，并采用真空辅助浸渍回填法制得了兼具介电损耗及磁损耗的Fe3O4@TAGA/EP电磁屏蔽复合材料，其最佳电磁屏蔽效能达37.5dB（此时Fe3O4@TAGA含量为0.36wt%），并且其EMI机制以吸收损耗为主。然而Fe3O4@TAGA/EP电磁屏蔽复合材料的力学性能不佳，径向上的压缩强度以及两个方向上的储能模量均低于TAGA/EP电磁屏蔽复合材料，且轴向上的压缩强度略低于纯环氧树脂。 最后本论文为了减少引入铁源后在石墨烯三维网络骨架中原位生成磁性Fe3O4纳米粒子对石墨烯气凝胶结构造成的缺陷，将硫酸亚铁铵作为铁源和氮源，利用其水热还原中生成的NH3与GO中的含氧官能团形成氢键作用，使GO的还原自组装反应更加充分，石墨烯气凝胶的三维网络结构更加完善。研究结果表明，制备的氮掺杂Fe3O4@TAGA/EP电磁屏蔽复合材料，其电磁屏蔽效能不仅提升到38.8dB（此时N-Fe3O4@TAGA含量为0.29wt%），同时其在轴向和径向上的压缩强度和储能模量相较于Fe3O4@TAGA/EP均得到提升，并且其轴向和径向上的压缩强度均高于纯环氧树脂。
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