FeSe2/RGO复合材料的制备与电磁波吸收性能分析*

文子良，布和巴特尔，陈芾霖，花 雨，姜 南

（黑龙江工程学院 材料与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

由于电磁波吸收材料在军事和商业中的应用需求不断增加，新型高效电磁波吸收技术已经成为国内外研究的重点材料，获得重量轻、厚度薄、吸收频率宽、稳定性高、具有较强的吸收特性的电磁波吸收材料是主要研究的方向[1]。在众多电磁波吸收材料中，碳基复合材料由于能达到以上全部要求而成为广泛研究的对象[2]。冯兰等[3]制备碳纳米管/二硫化钨，实现了高强与宽频电磁波吸收。熊自明等[4]制备了ZnO@RGO 复合材料，利用电导损耗和极化效应达到了优异的吸波性能，碳包覆空心Fe3O4纳米球的制备及其电磁波吸收特性研究，在匹配厚度仅为4.5mm 时,在11.6 GHz 时表现出良好的微波吸波特性[5]。从以上研究可以看出，碳材料不仅具有独特的理化性质，如化学稳定性高、耐酸碱、质量轻、密度小、储量丰富等优点，而且还具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、良好的吸附性能以及优异的电子传导性等优点[6]，因此，在电磁波吸收应用领域有着无可替代的作用。然而，这些研究成果均表明，与碳材料复合的物质基本集中在常见的氧化物、硫化物、铁（钴、镍）等金属单体，以碳基过渡金属硒化物复合材料在电磁波吸收领域的研究比较少见。因此，本文利用溶剂热法将FeSe2生长在RGO 表面，获得了FeSe2/RGO 复合材料[7]，并对其电磁波吸收性能以及导致电磁波性能提高的机理进行了详细的分析。

1 实验部分

1.1 原料及设备

乙酰丙酮铁、油酸、油胺、无水乙醇、正庚烷、液体石蜡，以上均为分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。

95-II-B 型磁力搅拌器（天津泰斯特仪器生产有限公司）；JCS-3103C 型电子天平（哈尔滨众汇衡器有限公司）；PS-20 型超声清洗仪（深圳市洁康洗净电器有限公司）；101-1SB 型烘箱（绍兴市苏珀仪器有限公司）；TD6M 型高速离心机（天津广丰科技有限公司）；100mL 水热反应釜（河南秋佐科学仪器有限公司）。

1.2 制备方法

本文采用改进hummers 法制备石墨烯[8]，然后通过加入适量NaHB 使其还原为还原氧化石墨烯[9]。

图1 FeSe2/RGO 复合材料制备工艺流程Fig.1 Preparation process of FeSe2/RGO composite material

FeSe2/RGO 复合材料的制备 用电子天平分别称取0.443g 乙酰丙酮铁、0.15g 硒粉、0.06g 还原氧化石墨烯粉（RGO），分别置于盛有5mL 油胺的20mL 烧杯中使之溶解，磁力搅拌30min 后进行超声离散20min，待其全部分散在油胺溶液中后，将3 种溶液加热移至50mL 烧杯中混合，再加入20mL 液体石蜡加热搅拌30min，再将溶液全部转移至100mL反应釜中，放入烘箱200℃加热36h，取出反应釜待其冷却至室温后，将反应液体进行水洗，然后离心、烘干，最后得到FeSe2/RGO 复合材料。

1.3 材料表征

材料晶型 采用X 射线衍射仪进行分析。

磁学性能 采用振动样品磁强计进行测试。

微观形貌 采用冷场扫描电子显微镜进行分析。

电磁参数 采用矢量网络分析仪同轴法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 XRD 图谱分析

图2 为FeSe2/RGO 复合材料的XRD 图。

图2 FeSe2/RGO 复合材料的XRD 图Fig.2 XRD pattern of FeSe2/RGO composites

由图2 可见，FeSe2/RGO 在2θ 为24.07°、31.18°、34.93°、36.31°、48.28°、53.98°、64.12°处的特征峰分别对应FeSe2晶体的（110）、（101）、（111）、（120）、（211）、（031）、（122）结构晶面，这与标准PDF 卡片（PDF#79-1892）的特征峰位置一致，说明成功制备出了FeSe2[10]。在26.3° 处出现微弱的特征峰，这与碳材料的（002）晶面特征峰吻合，是制备时加入的RGO。由此可以判定制备的材料为FeSe2/RGO。

2.2 TEM 表征分析

图3 为FeSe2/RGO 复合材料的TEM 图。

图3 FeSe2/RGO 复合材料的TEM图Fig.3 TEM ofFeSe2/RGOcomposites

由图3 可见，石墨烯表面负载了大量不规则形状的FeSe2颗粒，由于石墨烯表面有大量的官能团，反应初期吸附大量的铁离子，再通过Se 粉在200℃条件下硒化而获得FeSe2/RGO 复合材料。因为溶剂热反应过程中没有搅拌过程，所以出现负载不均匀现象。由于是在水热反应釜中高压条件下制备的复合材料，因此，FeSe2和RGO 之间形成了紧密结合的结构，当电磁波入射到FeSe2/RGO 复合材料后，在FeSe2和RGO 界面之间形成电子极化而消耗电磁波能量，有利于提高电磁波吸收性能。

2.3 电磁波吸收性能分析

2.3.1 FeSe2/RGO 复合材料的复介电常数 电磁参数（ε′、ε″、μ′、μ″）对确定材料的电磁波吸收性能有非常重要的作用。材料的电磁参数包括复介电常数（εr）和复磁导率（μr）。电磁波吸收能力主要与电磁场能量的存储和消耗能力有直接关系。通过公式计算进行具体分析。

图4 为FeSe2/RGO 复合材料的复介电常数实部（ε′）和虚部（ε″）在2～18GHz 频率范围内的曲线图。

图4 FeSe2/RGO 复合材料的复介电常数Fig.4 Complex permittivity of FeSe2/RGO composites

由图4 可见，ε′值在10.02～17.01 范围内波动，在2～10GHz 和15.8～18GHz 频率范围随着频率的增加ε′值缓慢下降，在10～13.5GHz 和14.2～15.8GHz频率范围随着频率的增加ε′值缓慢增加。ε″值在0.2～5.4 范围之内波动，而且在2～10GHz 和14.8～18GHz 内随频率的增加ε″值缓慢下降，而在10～13.8GHz 频段范围随着频率的增加ε″值也增加。可以看出，ε′和ε″均较高，当电磁波射入后，能以电损耗的形式来消耗电场能量，从而可以提高电磁波的吸收性能。

2.3.2 FeSe2/RGO 复合材料的复磁导率 图5 为FeSe2/RGO 复合材料的复磁导率实部（μ′）和虚部（μ″）在2～18GHz 频率范围内的曲线图。由图5 可见，μ′在0.65～1.06 内波动，8GHz 附近出现最大值，然后缓慢下降到15GHz 附近出现最小值。μ″在0.08～0.52 范围内波动，6GHz 附近出现最小值，然后缓慢上升，在13.04GHz 和14.56GHz 附近出现最大值，然后缓慢下降。由于FeSe2的磁性较小，加上负载非磁性的RGO 导致复合材料的复磁导率实部（μ′）和虚部（μ″）值都较小。在2～18GHz 范围内μ″值都大于0，证明该材料能以磁损耗的形式来吸收电磁波能量，与电损耗形成阻抗匹配而进一步提高电磁波吸收效果。

Fig.5 Complex permeabilityof FeSe2/RGOcomposites图5 FeSe2/RGO复合材料的复磁导率

2.3.3 FeSe2/RGO 复合材料电损耗和磁损耗 图6为FeSe2/RGO 复合材料的电损耗和磁损耗图。

图6 FeSe2/RGO 复合材料的电损耗和磁损耗图Fig.6 Electrical and magnetic losses of FeSe2/RGO composites

由图6 可见，频率在2.00～8.72GHz 范围内，随着频率的增加电损耗和磁损耗都呈现下降趋势，而且在此范围内电损耗值均大于磁损耗值。而在8.72～18.00GHz 频率范围内，随着频率的增加电损耗和磁损耗都呈现上升趋势，并且磁损耗值大于电损耗值。在整个频段内电损耗和磁损耗的变化趋势基本一致。在2.00～8.72GHz 和8.72～18.00GHz 频率范围内，电磁波吸收分别以电损耗和磁损耗为主。证明在不同的波段，FeSe2/RGO 复合材料的电磁波吸收方式有所不同，但在整个频段内以电损耗为电磁波吸收的主要方式。

2.3.4 FeSe2/RGO 复合材料反射率 材料的电磁波吸收性能用反射率来证明，反射率越小表示吸波材料对电磁波的反射能力越强,吸收能力越好。反射率用测得的复介电常数（εr）和复磁导率（μr）来计算，公式如下：

式中 Zin：材料的电磁波入射抗阻；j：虚数单位；f：电磁波频率,GHz；d：材料的厚度，mm；εr和μr：复介电常数和复磁导率；c：真空光速；RL：材料的反射率,dB。

当反射损率低于-10dB（RL＜-10dB）时，表示超过90%的电磁波可以被吸收，称之为有效的电磁波吸收。

FeSe2/RGO 与石蜡复合（样品含量为30%）后测试并计算反射率。图7 为根据公式计算的材料反射率（RL）值，计算厚度为2.0～4.5mm。

图7 FeSe2/RGO 复合材料的反射率图Fig.7 Reflectivity of FeSe2/RGO composites

由图7 可见，FeSe2/RGO 匹配厚度在2.0～4.5mm范围中反射率全部低于-10dB（90%吸收率），最大吸收带宽2.72GHz（8.16～10.88GHz）。当匹配厚度达到3.0mm 时，在7.52GHz 时取得最佳反射率-42.78dB。在厚度为2.0～3.0mm 之间，反射率随着厚度的增加逐渐减小，证明在这个厚度区间电磁波吸收率与厚度成正比。然而，在3.0～4.5mm 厚度范围内，随着厚度的增加反射率逐渐增加，证明在这个厚度区间电磁波吸收率与厚度成反比。通过反射率可以看出，FeSe2/RGO 复合材料具有良好的电磁波吸收性能，可作为一种新型的电磁波吸收材料来满足目前市场应用需求。

3 结论

以石蜡为溶剂制备了FeSe2/RGO 复合材料，在RGO 表面形成了紧密负载的FeSe2颗粒，分析其电磁波吸收性能发现，2.0～4.5mm 厚度范围内反射率全部低于-10dB（90%吸收率），2.5mm 厚度时出现最大吸收带宽2.72GHz（8.16～10.88GHz）。当匹配厚度达到3mm 时，FeSe2/RGO 复合材料在7.52GHz 时出现最佳反射率-42.78dB。由于反应体系采用的是廉价的液体石蜡，为低成本生产电磁波吸收材料提供了有力的数据。降低了电磁波吸收材料的生产成本，也证明了弱的磁性颗粒和导电材料的复合可以通过磁损耗和电损耗来消耗入射的电磁波能量而提高吸收值。