摘 要

吸波材料作为防护电磁辐射污染及武器装备隐身的重要物质基础,是各国研究的热点和重点。石墨烯作为一种新型的碳材料,具有优异的力学、热学和电学特性。尤为重要的是,石墨烯较高的介电常数以及外层电子易极化弛豫特性使其可作为潜在的介电损耗基材,应用于吸波领域,因而近年来受到了广泛的关注。本文建立了石墨烯基纳米复合材料的电磁波吸收模型，并针对石墨烯基纳米复合材料在不同频率下的相对有效复介电常数和反射系数开展了理论研究。主要研究工作及结果如下：

首先，针对电磁波的传播特性,采用Maxwell电磁理论,从椭球状和杆状的石墨烯基纳米复合材料的Maxwell Garnett公式出发，建立了多种形态夹杂的石墨烯基纳米复合材料的电磁波吸收模型，并与实验测量结果进行对比，获得了不同石墨烯含量下石墨烯基纳米复合材料的相对有效复介电常数与频率之间的变化规律，这为进一步开展石墨烯基纳米复合材料吸波性能的研究打下了基础。

其次，对于石墨烯基纳米复合材料吸波屏进行了理论研究。先根据传输线理论导出吸波屏反射系数与频率、有损层厚度等变量之间的关系，再将数值计算结果与实验测量结果进行对比，验证了石墨烯基纳米复合材料的电磁波吸收模型的正确性。同时，通过此模型对石墨烯/聚合物基纳米复合材料的电磁吸波性能进行了预测，结果表明：在一定范围内，随着墨烯基纳米复合材料厚度的增加，最大反射系数会逐渐增大，而最大反射系数对应的频率则会减小。

本文的研究为石墨烯基纳米复合材料在军用和民用领域中如何合理调控其电磁参数以有效提高其吸波性能提供了一定的理论依据。

关键词：石墨烯，纳米复合材料，电磁波，吸波特性。

Abstract

As a vital foundation of preventing electromagnetic radiation pollution and stealth capability of weaponry, microwave absorbing materials has become a hotspot and emphasis. Graphene is a new type of carbon material, which has excellent mechanical, thermal and electric properties. Especially important is that graphene can be used as a potential dielectric loss substrates with the higher dielectric constant and polarization relaxation properties of outer electron, which are applied in the absorbing area, having been widely concern in recent years. This paper establishes the electromagnetic wave absorbing model of graphene nanocomposite , and research its relatively effective complex permittivity and reflection coefficient at different frequencies . The main work and results are as follows:

Firstly, for the propagation characteristics of electromagnetic waves, the electromagnetic absorbing modeling of MLG-filled composite is established from the MG expression for rod-shaped fillers and oblate ellipsoids by Maxwell electromagnetic theory. And the results are compared with experimental measurements to obtain the relationship between relatively effective complex permittivity and frequency in different content of graphene, which establishes good foundation for further research for graphene–polymer composite absorbing properties.

Secondly, some theoretical analyses about dielectric salisbury screen constituted of graphene–polymer composite are presented. The relationship between the absorbing screen reflection coefficient and the layer thickness in different frequency is researched by transmission line theory. The results are compared with experimental measurements to verify the correctness of the electromagnetic modeling of graphene–polymer composite. At the same time ,we forecast the electromagnetic absorbing performance of graphene–polymer composite on the basis of this model, the results shows that: within a certain range, with the increase of the thickness of graphene–polymer composite, the maximum reflection coefficient will gradually increase, and the frequency corresponding to the maximum reflection coefficient will reduce.

This research for graphene–polymer composite provides some theoretical basis for improving the absorbing performance effectively in military and civilian areas by regulating electromagnetic parameters reasonably .

Key Words：graphene；nanocomposites；electromagnetic waves；microwave absorbing properties.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 石墨烯一聚合物纳米复合材料研究现状 2

1.2.2 石墨烯一金属纳米复合材料研究进展 2

1.2.3 等效介电常数研究现状 3

1.3本文的研究目的和研究内容 4

第2章 石墨烯基纳米复合材料的吸波特性 5

2.1 电磁波吸波理论基础 5

2.1.1 等效介质理论 5

2.1.2 反射系数的相关理论 6

2.2 石墨烯基纳米复合材料吸波理论模型 9

2.2.1石墨烯及其复合材料的微观特征 9

2.2.2 多种形态夹杂的等效介电常数 10

2.2.3多层吸波结构的反射系数 12

2.2.4单层石墨烯基纳米复合材料的反射系数 15

第3章 数值计算结果及讨论 17

3.1石墨烯基纳米复合材料介电常数计算结果及讨论 17

3.2多层吸收屏反射系数计算结果及讨论 19

第4章 结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着电磁技术的不断进步，它给社会生产带来了极大的经济效益，也让人们日常生活变得更为便利，但各种电力和电子设备产生的电磁波辐射对环境也造成了污染，并且直接影响着人们的身体健康。而电磁吸波材料的应用能够有效减少电磁波的危害。因此电磁波吸收材料在微波干扰保护和隐身涂料等民用与国防领域中有着广泛的应用^[1]。

碳系材料在吸波材料中应用广泛，一直都是电磁波防护的研究重点。在碳系材料中，碳纳米管的电磁波吸收性能较为突出,而且具有质量轻、高温下耐氧化、电磁参数易于调节等优点^[2]。石墨烯是一种新型的碳系材料，由于它比碳纳米管具有更优良的电磁特性，因此在未来石墨烯的应用前景将更为广泛^[3]。石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。二十一世纪初，英国物理学家Geim和Konstantin首次发现了石墨烯能单独地存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。由于其独特的单原子层二维晶体结构，石墨烯具备多种优异的性能，如大比表面积、大介电损耗、导电性能好、高强度等^[4-6]。在单层石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的电子，这些电子能够自由运动，其传导速度约为8×10⁵ m/s，远高于电子在一般半导体中的传导速度，这种特性也赋予石墨烯良好的导电性^[7]。

然而石墨烯一般只具有较强介电损耗的特性而其磁损耗特性相对较弱，因此单一的石墨烯吸波性能并不出色^[8]。要想获得更高效的吸波材料，就必须将石墨烯与其他材料复合，弥补其磁损耗较低的缺点。将石墨烯纳米粒子与其他材料复合后可以得到一种有效的吸波材料，对于军事和民用领域吸波材料的发展具有重要的经济效益及社会效益。

1.2 研究现状

如今有关石墨烯复合材料吸波性能的研究主要是针对复合材料的吸波机制展开，明晰各种电磁参数对其吸波性能的影响，为改善石墨烯吸波性能提供一定的理论基础，在这些理论的指导下制备出能同时具备吸收强度高、吸收频带宽、厚度薄等特点的轻质复合吸波材料^[9]。复合材料的电磁模型的确定是石墨烯吸波特性的重要基础，早期应用比较广泛的有Rayleigh模型、MG模型、Bruggeman模型等。近年来随着研究的不断深入，这些模型在掺杂相微粒的形状、掺杂相微粒之间相互作用等方面有了进一步的优化。

1.2.1 石墨烯一聚合物纳米复合材料研究现状

Yu等^[10]通过原位聚合的方式使聚苯胺纳米杆复合在石墨烯表层，制备了石墨烯-聚苯胺(G-PANI)纳米杆复合材料。当聚苯胺纳米杆与石墨烯复合后，石墨烯中载电子发生极化，提高了石墨烯的介电损耗。可是石墨烯的高导电性也引发了严重的趋肤效应，使其磁导率下降，吸波性能也相应地被削弱。但是总的来说，相较于未复合之前的聚苯胺纳米杆，复合之后材料的吸波性能还是得到了很大的提升。这与复合材料特殊的结构有关，由于石墨烯本身具有极高的接电损耗特性，当聚苯胺纳米杆复合在石墨烯表层后可以将其视为与入射电场之间平行连接，从而吸波特性得到加强。