石墨相氮化碳及其复合材料的电磁参数调控及仿真研究.pdf

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摘要

随着先进电子设备和无线通信技术的快速发展,人们的生活得到了极大的改

善。但是,这也产生了日益严重的电磁污染问题,不仅影响了高新精密仪器的使

用,同时也威胁着人们的身体健康。电磁波(EMW)吸收(EMWA)材料可以

将入射的EMW尽可能的留在材料内部,通过一系列耗散机制将其转化为其他形

式的能来解决电磁污染问题。然而传统EMWA材料虽有一定的EMWA性能,但

是仍然存在匹配厚度过高,吸收带宽较窄和重量过重等问题。因此,迫切需要开

发具有“薄”、“轻”、“宽”和“强”特性的EMWA材料。

石墨相氮化碳(g-CN)作为一种半导体碳基材料,因其具有丰富缺陷、重

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量轻、易形成π-π共轭结构等优点,在EMWA领域已展现出巨大的应用前景。然

而,g-CN较差的电导率和阻抗匹配、损耗机制单一以及较低的介电常数不利于

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其发挥自身的吸波性能,从而限制了其在EMWA领域的应用。针对上述问题,本

研究通过引入高电导率材料,调节复合材料中介电-介电或磁性-介电材料的比例

和设计特殊的结构等方法调控g-CN复合吸波材料的电磁参数,制备了一系列高

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性能的EMWA材料,并探讨了其吸波机理。最后,g-CN复合材料对散射和反射

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信号的衰减能力通过雷达散射截面(RCS)模拟仿真来表达,该仿真结果通过三

维结构电磁场仿真软件(CSTStudioSuite2020)来模拟。主要研究内容和结果如

下:

(1)以三聚氰胺(CHN)、三聚氰酸(CHNO)和蔗糖(CHO)为

3663333122211

原料,通过超分子自组装和水热法制备出前驱体,并在N氛围下500℃煅烧6h,

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制备出碳球/g-CN(CCN)复合材料。制备的碳球直径在400-900nm,而片状g-

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CN的直径约为2μm。随后,以水合肼为还原剂,通过水浴法引入还原氧化石墨

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烯(RGO),制备出CCN/RGO复合材料。碳球和g-CN通过π-π共轭作用分散在

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RGO片上。通过调控RGO的添加量,优化g-CN较差的电导率。经过实验数据

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的分析得出,RGO的添加改善了复合材料的EMWA性能。值得注意的是,当

RGO为CCN质量的20%时,CCN/RGO复合材料在频率为13.44GHz,匹配厚度

为2.19mm时,最小反射损耗(RLmin)值达到-45.40dB,对应的有效吸收带宽

(EAB)值为6.32GHz(11.52-17.84GHz),几乎覆盖整个Ku波段以及部分X波

段。根据密度泛函理论(Densityfunctionaltheory,DFT)计算,CCN/RGO存在

丰富的异质结构,可以有效地提高了电子迁移率,促进了电子重分布,从而提高

电导损耗和极化损耗。最后,通过CST模拟出涂覆复合材料的RCS仿真结果,其

结果与矩形超薄理想导体(PEC板)仿真结果的差值,即为该样品的折减值。根

据仿真结果,CCN/RGO复合材料在θ为0°时,RCS值由27.90dBm2下降到7.00

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dBm,折减值达到20.90d

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