FeSe2/RGO復合材料的制備與電磁波吸收性能分析*

文子良，布和巴特爾，陳芾霖，花 雨，姜 南

（黑龍江工程學院 材料與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

由于電磁波吸收材料在軍事和商業中的應用需求不斷增加，新型高效電磁波吸收技術已經成為國內外研究的重點材料，獲得重量輕、厚度薄、吸收頻率寬、穩定性高、具有較強的吸收特性的電磁波吸收材料是主要研究的方向[1]。在眾多電磁波吸收材料中，碳基復合材料由于能達到以上全部要求而成為廣泛研究的對象[2]。馮蘭等[3]制備碳納米管/二硫化鎢，實現了高強與寬頻電磁波吸收。熊自明等[4]制備了ZnO@RGO 復合材料，利用電導損耗和極化效應達到了優異的吸波性能，碳包覆空心Fe3O4納米球的制備及其電磁波吸收特性研究，在匹配厚度僅為4.5mm 時,在11.6 GHz 時表現出良好的微波吸波特性[5]。從以上研究可以看出，碳材料不僅具有獨特的理化性質，如化學穩定性高、耐酸堿、質量輕、密度小、儲量豐富等優點，而且還具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積、良好的吸附性能以及優異的電子傳導性等優點[6]，因此，在電磁波吸收應用領域有著無可替代的作用。然而，這些研究成果均表明，與碳材料復合的物質基本集中在常見的氧化物、硫化物、鐵（鈷、鎳）等金屬單體，以碳基過渡金屬硒化物復合材料在電磁波吸收領域的研究比較少見。因此，本文利用溶劑熱法將FeSe2生長在RGO 表面，獲得了FeSe2/RGO 復合材料[7]，并對其電磁波吸收性能以及導致電磁波性能提高的機理進行了詳細的分析。

1 實驗部分

1.1 原料及設備

乙酰丙酮鐵、油酸、油胺、無水乙醇、正庚烷、液體石蠟，以上均為分析純，天津市致遠化學試劑有限公司。

95-II-B 型磁力攪拌器（天津泰斯特儀器生產有限公司）；JCS-3103C 型電子天平（哈爾濱眾匯衡器有限公司）；PS-20 型超聲清洗儀（深圳市潔康洗凈電器有限公司）；101-1SB 型烘箱（紹興市蘇珀儀器有限公司）；TD6M 型高速離心機（天津廣豐科技有限公司）；100mL 水熱反應釜（河南秋佐科學儀器有限公司）。

1.2 制備方法

本文采用改進hummers 法制備石墨烯[8]，然后通過加入適量NaHB 使其還原為還原氧化石墨烯[9]。

圖1 FeSe2/RGO 復合材料制備工藝流程Fig.1 Preparation process of FeSe2/RGO composite material

FeSe2/RGO 復合材料的制備 用電子天平分別稱取0.443g 乙酰丙酮鐵、0.15g 硒粉、0.06g 還原氧化石墨烯粉（RGO），分別置于盛有5mL 油胺的20mL 燒杯中使之溶解，磁力攪拌30min 后進行超聲離散20min，待其全部分散在油胺溶液中后，將3 種溶液加熱移至50mL 燒杯中混合，再加入20mL 液體石蠟加熱攪拌30min，再將溶液全部轉移至100mL反應釜中，放入烘箱200℃加熱36h，取出反應釜待其冷卻至室溫后，將反應液體進行水洗，然后離心、烘干，最后得到FeSe2/RGO 復合材料。

1.3 材料表征

材料晶型 采用X 射線衍射儀進行分析。

磁學性能 采用振動樣品磁強計進行測試。

微觀形貌 采用冷場掃描電子顯微鏡進行分析。

電磁參數 采用矢量網絡分析儀同軸法進行測試。

2 結果與討論

2.1 XRD 圖譜分析

圖2 為FeSe2/RGO 復合材料的XRD 圖。

圖2 FeSe2/RGO 復合材料的XRD 圖Fig.2 XRD pattern of FeSe2/RGO composites

由圖2 可見，FeSe2/RGO 在2θ 為24.07°、31.18°、34.93°、36.31°、48.28°、53.98°、64.12°處的特征峰分別對應FeSe2晶體的（110）、（101）、（111）、（120）、（211）、（031）、（122）結構晶面，這與標準PDF 卡片（PDF#79-1892）的特征峰位置一致，說明成功制備出了FeSe2[10]。在26.3° 處出現微弱的特征峰，這與碳材料的（002）晶面特征峰吻合，是制備時加入的RGO。由此可以判定制備的材料為FeSe2/RGO。

2.2 TEM 表征分析

圖3 為FeSe2/RGO 復合材料的TEM 圖。

圖3 FeSe2/RGO 復合材料的TEM圖Fig.3 TEM ofFeSe2/RGOcomposites

由圖3 可見，石墨烯表面負載了大量不規則形狀的FeSe2顆粒，由于石墨烯表面有大量的官能團，反應初期吸附大量的鐵離子，再通過Se 粉在200℃條件下硒化而獲得FeSe2/RGO 復合材料。因為溶劑熱反應過程中沒有攪拌過程，所以出現負載不均勻現象。由于是在水熱反應釜中高壓條件下制備的復合材料，因此，FeSe2和RGO 之間形成了緊密結合的結構，當電磁波入射到FeSe2/RGO 復合材料后，在FeSe2和RGO 界面之間形成電子極化而消耗電磁波能量，有利于提高電磁波吸收性能。

2.3 電磁波吸收性能分析

2.3.1 FeSe2/RGO 復合材料的復介電常數 電磁參數（ε′、ε″、μ′、μ″）對確定材料的電磁波吸收性能有非常重要的作用。材料的電磁參數包括復介電常數（εr）和復磁導率（μr）。電磁波吸收能力主要與電磁場能量的存儲和消耗能力有直接關系。通過公式計算進行具體分析。

圖4 為FeSe2/RGO 復合材料的復介電常數實部（ε′）和虛部（ε″）在2～18GHz 頻率范圍內的曲線圖。

圖4 FeSe2/RGO 復合材料的復介電常數Fig.4 Complex permittivity of FeSe2/RGO composites

由圖4 可見，ε′值在10.02～17.01 范圍內波動，在2～10GHz 和15.8～18GHz 頻率范圍隨著頻率的增加ε′值緩慢下降，在10～13.5GHz 和14.2～15.8GHz頻率范圍隨著頻率的增加ε′值緩慢增加。ε″值在0.2～5.4 范圍之內波動，而且在2～10GHz 和14.8～18GHz 內隨頻率的增加ε″值緩慢下降，而在10～13.8GHz 頻段范圍隨著頻率的增加ε″值也增加?？梢钥闯?，ε′和ε″均較高，當電磁波射入后，能以電損耗的形式來消耗電場能量，從而可以提高電磁波的吸收性能。

2.3.2 FeSe2/RGO 復合材料的復磁導率 圖5 為FeSe2/RGO 復合材料的復磁導率實部（μ′）和虛部（μ″）在2～18GHz 頻率范圍內的曲線圖。由圖5 可見，μ′在0.65～1.06 內波動，8GHz 附近出現最大值，然后緩慢下降到15GHz 附近出現最小值。μ″在0.08～0.52 范圍內波動，6GHz 附近出現最小值，然后緩慢上升，在13.04GHz 和14.56GHz 附近出現最大值，然后緩慢下降。由于FeSe2的磁性較小，加上負載非磁性的RGO 導致復合材料的復磁導率實部（μ′）和虛部（μ″）值都較小。在2～18GHz 范圍內μ″值都大于0，證明該材料能以磁損耗的形式來吸收電磁波能量，與電損耗形成阻抗匹配而進一步提高電磁波吸收效果。

Fig.5 Complex permeabilityof FeSe2/RGOcomposites圖5 FeSe2/RGO復合材料的復磁導率

2.3.3 FeSe2/RGO 復合材料電損耗和磁損耗 圖6為FeSe2/RGO 復合材料的電損耗和磁損耗圖。

圖6 FeSe2/RGO 復合材料的電損耗和磁損耗圖Fig.6 Electrical and magnetic losses of FeSe2/RGO composites

由圖6 可見，頻率在2.00～8.72GHz 范圍內，隨著頻率的增加電損耗和磁損耗都呈現下降趨勢，而且在此范圍內電損耗值均大于磁損耗值。而在8.72～18.00GHz 頻率范圍內，隨著頻率的增加電損耗和磁損耗都呈現上升趨勢，并且磁損耗值大于電損耗值。在整個頻段內電損耗和磁損耗的變化趨勢基本一致。在2.00～8.72GHz 和8.72～18.00GHz 頻率范圍內，電磁波吸收分別以電損耗和磁損耗為主。證明在不同的波段，FeSe2/RGO 復合材料的電磁波吸收方式有所不同，但在整個頻段內以電損耗為電磁波吸收的主要方式。

2.3.4 FeSe2/RGO 復合材料反射率 材料的電磁波吸收性能用反射率來證明，反射率越小表示吸波材料對電磁波的反射能力越強,吸收能力越好。反射率用測得的復介電常數（εr）和復磁導率（μr）來計算，公式如下：

式中 Zin：材料的電磁波入射抗阻；j：虛數單位；f：電磁波頻率,GHz；d：材料的厚度，mm；εr和μr：復介電常數和復磁導率；c：真空光速；RL：材料的反射率,dB。

當反射損率低于-10dB（RL＜-10dB）時，表示超過90%的電磁波可以被吸收，稱之為有效的電磁波吸收。

FeSe2/RGO 與石蠟復合（樣品含量為30%）后測試并計算反射率。圖7 為根據公式計算的材料反射率（RL）值，計算厚度為2.0～4.5mm。

圖7 FeSe2/RGO 復合材料的反射率圖Fig.7 Reflectivity of FeSe2/RGO composites

由圖7 可見，FeSe2/RGO 匹配厚度在2.0～4.5mm范圍中反射率全部低于-10dB（90%吸收率），最大吸收帶寬2.72GHz（8.16～10.88GHz）。當匹配厚度達到3.0mm 時，在7.52GHz 時取得最佳反射率-42.78dB。在厚度為2.0～3.0mm 之間，反射率隨著厚度的增加逐漸減小，證明在這個厚度區間電磁波吸收率與厚度成正比。然而，在3.0～4.5mm 厚度范圍內，隨著厚度的增加反射率逐漸增加，證明在這個厚度區間電磁波吸收率與厚度成反比。通過反射率可以看出，FeSe2/RGO 復合材料具有良好的電磁波吸收性能，可作為一種新型的電磁波吸收材料來滿足目前市場應用需求。

3 結論

以石蠟為溶劑制備了FeSe2/RGO 復合材料，在RGO 表面形成了緊密負載的FeSe2顆粒，分析其電磁波吸收性能發現，2.0～4.5mm 厚度范圍內反射率全部低于-10dB（90%吸收率），2.5mm 厚度時出現最大吸收帶寬2.72GHz（8.16～10.88GHz）。當匹配厚度達到3mm 時，FeSe2/RGO 復合材料在7.52GHz 時出現最佳反射率-42.78dB。由于反應體系采用的是廉價的液體石蠟，為低成本生產電磁波吸收材料提供了有力的數據。降低了電磁波吸收材料的生產成本，也證明了弱的磁性顆粒和導電材料的復合可以通過磁損耗和電損耗來消耗入射的電磁波能量而提高吸收值。