基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法

本发明涉及基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，属于吸波材料制备。

背景技术：

1、石墨烯是一种二维层状材料，特殊的结构决定了其特别的性质：石墨烯的构成使材料密度低，比表面积大；碳原子间的键使材料具有优良的力学性能；材料内的键和电子使材料拥有较强的结构稳定性和化学稳定性；导带和价带部分相重叠于费米能级处，使材料能隙为零，导电性能优异；石墨烯内部存在的大量悬挂键，在电场的作用下更容易发生外层电磁的极化弛豫，从而实现电磁波的衰减……这些因素都使石墨烯成为一种优异的新型电磁波吸收材料，受到广泛的关注。在2011年，han等人研究发现，在7ghz时还原氧化石墨烯的吸波强度为-6.9db。(参考文献[1]:chao wang,xijiang han,ping xu,et al.theelectromagnetic property of chemically reduced graphene oxide and itsapplication as microwave absorbing material[j].applied physics letters,2011,98(7):072906.)石墨烯的性质展现了它在电磁吸波领域的巨大潜力，但单一的石墨烯板材吸波频带较窄，与此同时阻抗匹配的失衡和较差的电磁吸收性能严重制约了石墨烯材料的实际应用，因此改变宏观形貌，提高阻抗匹配是一种较为常见有效的提高石墨烯吸波性能的手段，多元化的宏观形貌使石墨烯吸波材料得以应用在更多复杂的环境与条件下。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，制得的石墨烯吸波海绵阵列具有良好的电磁波吸收性能与较宽的吸波频带。

2、本发明还提供了一种采用上述的制备方法制得的石墨烯吸波海绵阵列。

3、为了实现以上目的，本发明的石墨烯吸波海绵阵列所采用的技术方案是：

4、一种基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，包括以下步骤：采用cst三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型设计并仿真计算其周期密排阵列的吸波性能，由仿真结果机器学习选择较优的结构模型制造模具，将氧化石墨烯浆料按照阻抗梯度设计灌注到不同形状的模具当中，采用液氮对其进行整体逐层冷冻成型。将成型后的样品进行冷冻干燥，随后对干燥完成后的样品进行还原处理即得。

5、本发明的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，利用cst三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型设计并仿真计算其周期密排阵列的吸波性能，按照阻抗梯度设计进行灌注，冷冻干燥并对石墨烯海绵细胞阵列进行还原处理。工艺简单、稳定，不仅可以有效节约重复实验造成的原料、时间损耗，而且通过仿真模拟，调节电磁参数与宏观形貌，进而调控其阻抗匹配特性。并通过阻抗梯度设计，制备不同宏观形貌的多层石墨烯吸波海绵阵列，调控整体样品的阻抗特性，使电磁波更易进入材料内部将电磁波耗散，实现较好的吸波性能。

6、优选的，所述氧化石墨烯浆料的浓度为1-18mg/g，优选为8-10mg/g。

7、优选的，将氧化石墨烯浆料按照质量比与去离子水进行混合，并搅拌均匀，搅拌时间为20h。

8、优选的，根据阻抗梯度设计在模具中铺层的方法包括以下步骤：首先灌注一层一定厚度的氧化石墨烯浆料，将其铺平后，冷冻成型，再灌注一层不同浓度的氧化石墨烯浆料，表面平整后冷冻成型，石墨烯吸波海绵单元的厚度由铺层的厚度和铺的层数控制。优选铺层顺序为底层为高浓度氧化石墨烯，表层为低浓度氧化石墨烯。优选的柔性板的厚度为18mm，铺层层数为2层。

9、优选的，所述液氮冷冻成型是将液氮通入到模具中，通过控温阀来控制温度，冷冻时间随柔性板的厚度逐渐增加，冷冻时间为1-3h，优选为1.5h。

10、优选的，所述冷冻干燥的处理时间随着石墨烯吸波海绵阵列的厚度而逐渐提升，冷冻干燥的时间为3-6天，优选为6天。

11、优选的，所述还原方法为水合肼蒸汽还原，氧化石墨烯和水合肼的质量比为1:1-1:3.5，优选为1:3.5。

12、本发明的石墨烯吸波海绵阵列所采用的技术方案为：

13、一种采用上述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法制得的石墨烯吸波海绵阵列。

14、本发明的石墨烯吸波海绵阵列，利用cst三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型设计并仿真计算其周期密排阵列的吸波性能，按照阻抗梯度设计进行灌注，冷冻干燥并对石墨烯海绵细胞阵列进行还原处理。工艺简单、稳定，不仅可以有效节约重复实验造成的原料、时间损耗，而且通过仿真模拟，调节电磁参数与宏观形貌，进而调控其阻抗匹配特性。并通过阻抗梯度设计，制备不同宏观形貌的多层石墨烯吸波海绵阵列，调控整体样品的阻抗特性，使电磁波更易进入材料内部将电磁波耗散，实现较好的吸波性能。

技术特征：

1.基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：采用cst三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型设计并仿真计算其周期密排阵列的吸波性能，由仿真结果机器学习选择较优的结构模型制造模具，将氧化石墨烯浆料灌注到不同形状的模具当中，采用液氮对其进行冷冻成型。将成型后的样品进行冷冻干燥，随后对干燥完成后的样品进行还原处理即得。

2.根据权利要求1所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯浆料的浓度为1-18mg/ml。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：采用cst三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型设计并仿真计算其周期密排阵列的吸波性能，由仿真结果机器学习选择较优的结构模型制造模具，将氧化石墨烯浆料按照质量比与去离子水进行混合，并搅拌均匀，搅拌时间为12-24h。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：根据阻抗梯度设计在模具中灌注的方法包括以下步骤：首先灌注一层一定厚度的氧化石墨烯浆料，将其铺平后，冷冻成型，再灌注一层不同浓度的氧化石墨烯浆料，表面平整后冷冻成型，石墨烯吸波海绵单元的厚度由铺层的厚度和铺的层数控制。吸波单元的厚度为10-30mm，铺层层数为2-4层。

5.根据权利要求1所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：所述液氮冷冻成型是将液氮通入到模具中，通过控温阀来控制温度，冷冻时间随柔性板的厚度逐渐增加，冷冻时间为1-3h。

6.根据权利要求1所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：所述冷冻干燥的处理时间随着柔性板的厚度而逐渐提升，冷冻干燥的时间为3-6天。

7.根据权利要求1所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，其特征在于：所述还原采用的是水合肼蒸汽还原法，氧化石墨烯和水合肼的质量比为1:1-1:3.5。

8.一种采用如权利要求1-7中任意一项所述的基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法制得的石墨烯吸波海绵阵列。

技术总结
本发明涉及一种基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，属于吸波材料制备技术领域。本发明基于宏观形貌调控石墨烯吸波海绵阵列吸波性能及其制备方法，包括以下步骤：采用CST三维电磁场仿真软件进行阵列单元的结构模型阻抗梯度设计、仿真，调节电磁参数与宏观形貌，进而调控其阻抗匹配特性，然后有机器学习择优建模，再将氧化石墨烯浆料灌注到不同规格形状模具中，冷冻成型及真空冷冻干燥，最后再将样品进行还原处理即得。本发明工艺简单、稳定，不仅可以有效节约重复实验造成的原料、时间损耗，还可以通过改变宏观形貌，提高阻抗匹配，拓宽石墨烯吸波材料吸波频带，提高材料在更多复杂的环境与条件下的应用。

技术研发人员：李宜彬,刘佳琪,袁野,艾夏,王明亮
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28