摘要
还原氧化石墨烯（rGO）具有独特的二维层状结构、结构可设计性强、优异的介电性能、抗氧化和耐腐蚀性等优点，常用于电子元件、电池、传感器、电容器以及航空航天等领域，尤其在电磁波吸收领域应用十分广泛。然而，rGO本身容易发生层压，导致性能被严重影响，并且当其作为电损耗型导电填料单独用于制备吸波材料时并不能满足电磁波吸收材料“吸收强、重量轻、涂层薄、频带宽”的高要求。因此，通常采用物理包覆或化学合成法等对其进行改性，例如：设计多维度的异质结构、结合磁损耗元件以及设计磁性金属有机框架(MOFs)的三维电磁波吸收材料以增加介电损耗、磁损耗和界面极化损耗等以满足轨道交通、军事、航空航天领域的高要求。然而，电磁设备在工作时易因热量积累从而造成火灾隐患，严重威胁着设备的正常运行和人们的生命财产安全。基于此，本文创新性地利用一锅法、自组装法对氧化石墨烯(GO)进行改性并还原，制备了一系列高性能的rGO基吸波复合材料，通过微观结构设计实现了对电磁波的高效吸收以及阻燃性能的调控，同时探明材料组成-结构-性能的构效关系，阐明作用机制，主要研究内容和结果如下： （1）为了设计多维度异质结构以增加界面损耗或多重反射，将羧基化的一维碳纳米管、二维MXene与GO表面的富氧官能团经氢键结合，再在肼处理下“一锅法”还原氧化石墨烯泡沫(F-rGO)，成功制备了多维异质结构微波吸收剂(CNT-MXene-F-rGO)。结果表明：当仅在石蜡基体中添加25wt%的CNT-MXene-F-rGO时，仅2.5mm的厚度，在10.3GHz处的最高反射损耗（RL）值为-57.6dB，EAB为3.3GHz，满足了电磁波吸收材料“轻质、宽频和高效”的高要求。微波吸收机理表明：多维异质结构导致的界面极化损耗、双重氢键网络结构导致的相位差的Maxwell-wagner（MWS）效应、碳材料高导电性引起的导电损耗共同作用提高了CNT-MXene-F-rGO复合材料的电磁波吸收效率。此外，还研究了CNT-MXene-F-rGO的燃烧行为：当在环氧树脂（EP）添加10wt%的CNT-MXene-F-rGO时，EP复合材料的热释放量(HRC)和热释放速率峰值(PHRR)分别下降了53.0%和40.3%，表现出优异的阻燃性能。 （2）为了进一步提高rGO基吸波材料的吸波吸率，通过在rGO表面上结合磁损耗结构以增加界面极化、阻抗匹配以及磁损耗能力。经配位作用合成了含有Co、Ni和FeOOH(100nm)的rGO异质结构(包括零维磁性纳米颗粒和二维rGO)CNFO@rGO。结果表明，在含量仅为20wt%、厚度为3.5mm的石蜡环中，RL值达到最低的-51.6dB，EAB超过1GHz，达到高效电磁波吸收的目的。微波吸收机理表明，异质结构中优异的阻抗匹配和适中的介电弱磁损耗有利于提高其电磁波吸收效率。随后发现，当CNFO@rGO添加量仅为10wt%时，其PHRR和HRC下降了55.5%和55.1%，具有优异的阻燃效果。 （3）为了进一步提升吸波效率，采用简单的一锅法，通过溶剂热法在原位还原的氧化石墨烯的同时在表面生长磁性金属-有机框架(Fe-MOF)。结果表明，当石蜡基体中掺入25wt%的Fe-MOF-rGO时，厚度为2mm时最小RL值达到-43.6dB，EAB超过5.0GHz，进一步满足了高效率、轻量化和宽频带的目标。根据介质介电损耗、磁化损耗和优异的电阻匹配结果得出结论：Fe-MOF-rGO的传导损耗(rGO优异的导电性)、磁损耗(Fe纳米粒子的磁共振)和界面极化损耗(二维rGO和三维Fe-MOF的异质结构)共同决定了电磁吸收性能。此外当Fe-MOF-rGO的添加量为10wt%时，EP的HRC和PHRR分别下降了42.1%和42.3%，表现出良好的阻燃性能。 （4）在上述工作的基础上构建了双金属MOFs以研究磁介质和三维结构对吸波性能的影响。通过在羧基化碳纳米管（CNT）和GO之间构建氢键自组装，再将磁性金属离子(Co2+、Ni2+)轻松负载到GO表面，并通过二氨基对苯二甲酸配位，成功制备了CNT-rGO-Co/Ni-MOF复合吸波材料。结果表明：当石蜡基体中仅添加25wt%的CNT-rGO-Co/Ni-MOF时，在16.4GHz处的最大RL值为-43.0dB，EAB超过4.0GHz，满足了轻质、宽带、高效电磁波材料的高要求。微波吸收机理表明，多维异质结构引起的多界面极化损耗、优异的导电网络引起的电阻损耗和磁介质损耗都是CNT-rGO-Co/Ni-MOF复合材料优异电磁波吸收性能的关键。此外，还研究了CNT-rGO-Co/Ni-MOF的燃烧行为。当CNT-rGO-Co/Ni-MOF的质量分数为10wt%时，EP的HRC和PHRR分别下降了59.2%和52.6%，表现出优异的阻燃性能。
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