石墨烯基吸波材料的研究進(jìn)展

(1.安徽理工大學(xué)材料學(xué)院 安徽 淮南 232000；2.鹽城工學(xué)院材料學(xué)院 江蘇 鹽城 224051)

石墨烯是2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)的，他們通過高定向熱解石墨中剝離出單層石墨片；石墨烯在電磁場(chǎng)作用下原子外層電子極化弛豫形成電阻型吸波材料，與磁損耗吸波材料和電損耗材料復(fù)合能明顯提高材料的電磁波吸收性能，在電磁波吸收領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景[1-2]。

一、石墨烯及其衍生物的基本性質(zhì)

石墨烯是由單層原子構(gòu)成，具有比表面積大，表面無含氧基團(tuán),化學(xué)反應(yīng)惰性,耐高溫且不易氧化的特點(diǎn)，并且具備優(yōu)異的電學(xué)特性。氧化石墨烯是石墨烯最重要的衍生物,它保留了原本二維的碳骨架層,并在邊緣連接有羥基、環(huán)氧基、羰基和羧基等含氧官能團(tuán)。氧化石墨烯相比于石墨烯而言在水溶液或有機(jī)溶液中有非常好的分散性,且易與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

二、電磁波吸收機(jī)理

電磁波吸收材料是指能有效接收入射電磁波,并使其轉(zhuǎn)化成熱能消耗或目標(biāo)回波強(qiáng)度顯著減弱的一類電磁功能材料。吸波材料性能良好必須具備兩個(gè)條件:(1)減少電磁波在材料表面的直接反射,增加透射強(qiáng)度(2)電磁波一旦進(jìn)入材料內(nèi)部,要實(shí)現(xiàn)最大限度衰減和損耗。

三、石墨烯基電磁波吸收材料研究進(jìn)展

(一)石墨烯基二元復(fù)合材料

1.石墨烯/納米碳。碳纖維和石墨烯組合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,吸波性能有較大提升,不同電導(dǎo)率的碳納米微球與石墨烯復(fù)合可制備吸波頻率可調(diào)的復(fù)合材料，石墨烯/碳納米管復(fù)合材料中，碳納米管的中空結(jié)構(gòu)增加了電磁波的耗散途徑,增強(qiáng)了界面極化效應(yīng)，增加介電損耗途徑,有效提高電磁波損耗能力。

2.石墨烯/納米金屬及其化合物。納米金屬是良好的吸波材料,具有寬頻帶和兼容性好等特點(diǎn)。磁性金屬微粉是一類非常重要的納米金屬電磁波吸收劑,石墨烯的大比表面積有利于改善材料間的相互接觸,提供良好的電子傳輸通道,其與金屬納米材料復(fù)合可增強(qiáng)界面極化強(qiáng)度,從而提高高頻介電損耗,增強(qiáng)吸波效果。林帥[3]通過化學(xué)電鍍法在石墨烯表面負(fù)載一層大小約為50 nm的Co納米顆粒，當(dāng)匹配厚度為2.5mm時(shí)，復(fù)合材料在11.5GHz最大損耗達(dá)到-13dB，當(dāng)匹配厚度為2mm時(shí)有效吸波頻寬為5GHz，鍍鈷的石墨烯吸波性能有明顯的提高。

3.石墨烯/鐵氧體復(fù)合材料。鐵氧體屬于雙復(fù)介電材料,既有亞鐵磁性又有介電特性。將鐵氧體與石墨烯復(fù)合可以發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn),通過多種損耗途徑吸收電磁波,達(dá)到密度小且高效吸收的效果。隋宏超[4]采用Hummers法制備氧化石墨烯，在此基礎(chǔ)上通過水熱法和溶膠凝膠法制備氧化石墨烯/鈷(鎳)鋅鐵氧體復(fù)合吸波材料，通過電磁性能分析在8.2～12.4GHz的頻率范圍內(nèi)，復(fù)合吸波材料的電損耗角正切值大于1，磁損耗角正切值大于0.15，具有較好的吸波性能。

4.石墨烯/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。利用石墨烯修飾導(dǎo)電聚合物,可以有效改善產(chǎn)物阻抗匹配性,降低層厚度,使電導(dǎo)率可調(diào),從而達(dá)到最優(yōu)吸波效果。常見制備石墨烯-導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合材料的基體包括:聚吡咯、丙烯腈丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。程祥珍等[5]通過原位氧化聚合法制備聚苯胺-石墨烯納米復(fù)合材料，聚苯胺呈納米棒狀結(jié)構(gòu)相互纏繞并鑲嵌在石墨烯表面；當(dāng)匹配厚度為2mm時(shí)，最大反射損耗在15.8GHz處達(dá)到-28.6dB，有效頻寬達(dá)到4.3GHz。

(二)石墨烯基三元復(fù)合材料

相較石墨烯基二元復(fù)合材料,三元組分復(fù)合可進(jìn)一步改善產(chǎn)物阻抗匹配性,提升電磁波損耗能力。目前,三元復(fù)合材料主要以介電損耗和磁損耗協(xié)同消耗機(jī)理為主。Zhang[6]通過三步法合成RGO/ PANI/ BNSF納米復(fù)合材料,優(yōu)異的損耗機(jī)制以及介電損耗與磁損耗之間的協(xié)同效應(yīng)使其具有優(yōu)異的微波吸收性能,當(dāng)匹配厚度為2.9mm時(shí)，最小反射損耗在13.68GHz達(dá)到-50.5dB，有效吸收帶為6.8GHz。

四、吸波性能的影響因素

純石墨烯材料多采用化學(xué)氧化還原法制備,大量存在的缺陷及殘留的含氧基團(tuán)不僅可以改善石墨烯的阻抗匹配性,還可以有效提高其吸波性能，下面分別從三個(gè)方面對(duì)石墨烯基電磁波吸收材料吸波性能的影響因素進(jìn)行分析。

(一)損耗機(jī)制。純石墨烯是介電損耗型吸波材料,而將其他物質(zhì)與石墨烯復(fù)合可進(jìn)一步提升產(chǎn)物電磁波損耗能力,這主要得益于多元組分間良好的阻抗匹配性及介電損耗和磁損耗的協(xié)同消耗機(jī)理。

(二)組分?jǐn)?shù)量。三元/多元石墨烯基電磁波損耗材料的電磁波損耗能力整體優(yōu)于二元復(fù)合材料,這是由于多層材料各組分間良好的阻抗匹配性,增強(qiáng)的界面/層間極化效應(yīng)、介電損耗和磁損耗相互協(xié)同效應(yīng)及粒子間的空隙對(duì)電磁波的折/反射效應(yīng)疊加所致。

(三)結(jié)構(gòu)。無論是改變反應(yīng)條件,還是各組分結(jié)合狀態(tài),都會(huì)促使產(chǎn)物形貌及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn),形貌和結(jié)構(gòu)的差異對(duì)復(fù)合材料電磁波損耗能力影響很大。通過調(diào)控產(chǎn)物形貌及結(jié)構(gòu),改變阻抗匹配性,增加界面及層間極化作用,可以提高復(fù)合材料吸波性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

目前的研究已經(jīng)證明了石墨烯以其獨(dú)特的性能對(duì)提高材料電磁波損耗能力等方面有著巨大的應(yīng)用潛力，但純石墨烯材料作為介電損耗型吸波劑,對(duì)電磁波損耗效果欠佳,在以下幾個(gè)研究方向仍存在一些挑戰(zhàn):(1)多組分石墨烯基電磁波損耗材料吸波機(jī)理研究;(2)三維復(fù)合結(jié)構(gòu)石墨烯基電磁波損耗材料研究;(3)石墨烯基電磁波損耗材料功能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)研究。

為了進(jìn)一步提升石墨烯基吸波材料的吸波性能,盡快在相關(guān)領(lǐng)域開展應(yīng)用。必須開發(fā)規(guī)模化、量產(chǎn)化的石墨烯制備技術(shù)和復(fù)合工藝,提高石墨烯質(zhì)量。在減重和增效基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)目標(biāo),這不僅會(huì)推動(dòng)軍事隱形材料的發(fā)展,還會(huì)在防護(hù)電磁波輻射等民用方面發(fā)揮重要作用。