碳系納米吸波材料的研究進展

何立糧 劉斌

廣州特種承壓設備檢測研究院 廣東 廣州 510000

引言

隨著通訊和電子技術的不斷發展和廣泛應用，加之無線電射頻設備的功率成倍提高，引發嚴重的電磁干擾或電磁污染[1]。目前市面上常用吸波劑為鐵磁性金屬材料、金屬氧化物、金屬硫化物等，這些吸波材料具備成本低、穩定性好和易加工等優點，但其微波損耗機制單一、阻抗匹配差、吸收頻帶較窄，難以滿足市場需求的“輕質、寬頻、高吸收”等需求，故制備多種損耗機制的復合材料成為研究熱點。

通常吸波材料可分為電阻型損耗、電介質損耗和磁損耗型材料，在科學研究過程中，可根據協調增強效應，調節復合材料的配合種類和微觀結構，使其能夠具備兩類以上的微波損耗機制，從而提升其吸波性能。碳材料因其具備密度小、比表面積大、電子遷移率高、電磁參數可調、吸收電磁波能力強等優點，常被用做復合吸波材料關鍵組分。本文探討的吸波材料主要為碳系的生物質碳、碳納米管、石墨烯及二維過渡金屬碳化物MXene等，可通過對其進行表面改性、復合以及微觀結構設計等處理，提升其吸波性能。本文對碳系復合材料在吸波領域中的應用進行總結探究，并對未來研究方向進行展望。

1 碳系納米復合吸波材料

1.1 生物質碳吸波材料

生物質碳材料為富含碳的天然生物質活化和高溫熱解得到的一種多孔碳材料，來源豐富，成本低廉，且導電性優異、孔結構豐富，比表面積大。而生物質碳材料微波損耗機制僅為電阻型損耗，無法單獨成為各項性能優異的吸波材料，基于此，Zhou等[2]采用ZnCl2活化核桃殼高溫碳化制備了納米多孔生物質碳（NBC），為了提高阻抗匹配，在NBC表面原位合成了Fe3O4納米顆粒，增加了多孔碳內部的缺陷，降低了導電性，增加了材料的極化位點，增強了極化損耗，且Fe3O4納米顆粒引入更多界面，增強了基體材料的界面極化。此外，Fe3O4納米顆粒的引入增加了磁性損耗，介電損耗和磁性損耗的機制協調改善了材料的阻抗匹配性能。

生物質碳復合材料從天然生物材料中提取獲得，成本低廉，綠色無污染，操作簡便，可再生和大量合成。通過結構調控和與磁性材料復合，可以獲得優異的吸波性能，為未來可持續、輕質、高吸收性能的吸波材料的研究提供了一條極具前景的道路。

1.2 碳納米管吸波材料

碳納米管具有高導電性和高縱橫比特性、小尺寸效應且介電損耗性能尤為突出，是一種為典型的電損耗性材料。因量子限域效應碳納米管的電子沿軸向運動，賦予碳納米管金屬和半導體特性，有利電磁波的吸收。Cao等[3]成功制備了兩相異質結構復合物Fe3O4/MWCNT，其中，磁性材料Fe3O4的引入使得復合物在界面上產生介電常數和磁導率共振，磁損耗得到充分增強，提高了材料的微波吸收性能，拓寬了有效吸收帶寬，得到了一種高效的電磁屏蔽和衰減填料。Xu等[4]以二茂鐵為碳源和催化劑，開發了一種在SiC纖維上大規模制備CNTs的新方法，所制備的碳納米管/SiCf復合材料具有較強的電磁波吸收能力和較寬的有效吸收帶寬，當CNTs含量僅為0.72wt %，復合物填充量為20wt %，匹配厚度為4mm時的反射損耗達到?62.5dB，有效吸收帶寬為8.8GHz，幾乎覆蓋了整個Ku波段和3/4X波段。Hu等[5]利用化學沉積法合成了含氮和鐵摻雜的碳納米管，利用溶劑熱法將鎳鹽和鈷鹽均勻分散在碳納米管上，通過在空氣下燒結得到N，Fe-CNTs/NiCo2O4復合吸波材料，匹配厚度為2.5mm，在9.0GHz下最小反射損耗達-45.1dB。

目前，碳納米管作為吸波材料為一個研究熱點，其特殊的結構，給研究者留下了諸多可設計空間，可以進行填充改性，通采用低成本、高效的制備方法及結構優化和改性技術，碳納米管將成為吸波材料重要的發展方向。

1.3 石墨烯吸波材料

石墨烯是由單層碳原子以緊密蜂窩狀六邊形堆積而成，因其具有穩定的二維結構和豐富的官能團，而且還表現出極高的比表面積、優異的導電性及電子遷移率，故被廣泛用于吸波領域中，且應用潛力巨大。

因石墨烯在吸波方面僅具介電損耗吸波機制，比表面積大易團聚，且單一石墨烯與樹脂基材相容性差，阻抗匹配性差，故電磁波衰減效果不佳。因此，將石墨烯與具備其他吸波損耗機制材料復合，可產生協同效應，提高阻抗匹配，使吸波材料兼具磁損耗和電損耗等損耗機制，從而表現更為優秀的吸波性能。諸多研究表明，石墨烯片層上存在大量缺陷和官能團，而這使得其電導率降低，且為其吸收和衰減電磁波提供極化點。此外，石墨烯復合材料具備三維分層結構，有利于電子傳輸，極化損耗效果。因此，利用石墨烯高比表面積以及獨特的分子結構，可以改善其阻抗匹配和分散特性等問題，制備得到協同增強復合型吸波材料。國內外學者對其進行了研究和討論，D.B.Giovanni等研究了石墨烯的吸波性能，指出高長徑比的石墨烯更易形成強導電網絡，利于電荷轉移，有更好的吸波性能；王振宇等[6]制備了石墨烯/EUG復合材料，厚度為4.5mm時在14.91GHz處有反射損耗最小值-43.97dB，有效吸收帶寬為1.41GHz，指出石墨烯擁有高比表面積和電導率，在電磁場作用下，高比表面積使得自由電荷大量聚集發生界面極化，高電導率使得材料在石墨烯網絡構建完善后電導率增加，兩種特性均導致復合材料的介電常數變大。

為了進一步優化石墨烯的吸波性能，通過摻雜雜原子，提供更多的活性位點，增強與磁性顆粒界面穩定性，增大石墨烯表面缺陷，增強了電子在石墨烯上的傳輸能力，有利于介電損耗，優化吸波性能。Feng等[7]利用水合聯氨作為氮源和還原劑，采用一步溶劑熱法合成多孔FeNi3/N-GN復合物，通過增加氮摻雜石墨烯的含量，提供更多的活性位點，控制FeNi3納米晶的形貌。經過調節，在1.45mm匹配厚度下，最小反射損耗達-57.2dB。Wang[8]將CoFe2O4（CFO）納米粒子嵌入N摻雜還原氧化石墨烯（N-rGO）氣凝膠中，采用溶劑熱法和凍干技術合成了一種獨特的具有三維多孔結構的CFO/N-rGO氣凝膠微波吸收，反射率在14.4Ghz處達到?60.4 dB，有效吸收帶寬（RL<-10db）可高達6.48GHz（11.44-17.92GHz），具有優良的吸波性能。AKP等[9]利用CuCl2作為摻雜劑，制備的摻雜石墨烯膜材料，其電導率達1.09×107S/m，溫阻系數僅為4.31×10-4K-1，熱穩定性達400℃，35μm的摻雜石墨烯膜在2-18GHz的平均EMI屏蔽效率為110dB。Chen等[10]通過聚合物衍生的陶瓷路線成功地調整了單源前驅物衍生的具有不同rGO含量的SiBCN還原氧化石墨烯（SiBCN-rGO）陶瓷復合材料，在1300℃下退火的6wt%GO的SiBCN-rGO陶瓷復合材料具有最佳的微波吸收性能，而反射系數最小在10.72GHz時為-62.71dB，薄膜的厚度為2.17 mm。

石墨烯在吸波過程中其片徑、導電性、層數、官能團、缺陷和比表面積等參數均會對其吸波效果產生影響，其中片徑、層數、導電性和比表面積是石墨烯的固有性質，而缺陷和官能團則是通過各種方式引入石墨烯表面。可通過控制石墨烯制備及對其進行改性和復合，以達到協同增強的效果，解決石墨烯分散性不佳的問題，優化其阻抗匹配，提升吸波性能。

1.4 MXene層狀碳吸波材料

MXene材料是一種過渡族金屬碳化物或碳氮化物二維納米材料，由于單一的MXene材料具有高介電常數和導電性，使其具有優秀的電磁屏蔽能力。He等[11]成功制備了超薄MXene納米片具有優秀的電磁屏蔽性能，在匹配厚度為1mm下，電磁屏蔽值可達到58.1dB。與石墨烯類似，單一的MXene材料介電常數較大，阻抗匹配不佳，因此大多研究人員常將MXene與具有磁損耗的材料復合，從而實現協同增強，提升復合材料吸波性能。Li[12]等設計和優化的靜電自組裝策略，制備了一種磁化MXene-r GO/Co-Ni薄膜，在合成的復合膜內，用高度分散的Co-Ni納米顆粒裝飾的rGO納米片被內插到MXene層中，有效地抑制了MXene納米片初始的自組裝，從而降低了高介電常數，在厚度為2.01mm時，最低反射損耗值達到了?54.1dB，厚度為2.00mm時，有效吸收帶寬為5.1GHz。諸多研究者通過MXene與石墨烯復合薄膜的界面設計與磁化策略，獲得復合層狀碳結構，實現增強吸波性能。

2 結束語

目前，碳系吸波材料已經有了大量的研究，并已經具備實際使用的價值，但單組分碳系納米吸波材料存在易團聚和介磁匹配差等問題，限制了其在電磁波吸收領域的實際應用。按照吸波材料“薄、輕、寬、強”的要求，碳系吸波材料將朝著納米化、結構多樣化、多元化復合、介磁可調控的方向發展。

進一步研究碳系材料的吸波機制，尤其碳系材料在納米尺度下的吸波機理。通過對碳材料的吸波機制的不斷深入研究，來進一步指導制備、改性和復合工藝的優化。

優化碳系吸波材料的制備工藝，開發新型碳系材料，拓寬碳系吸波材料的研究領域和方向。

合理設計微觀結構，探究不同形貌、粒度和結構對吸波性能的影響；優化表面改性和摻雜工藝，解決其團聚和阻抗匹配差的缺點，優化吸波性能。

采用多元化復合方式提高吸波性能，通過調控不同損耗機制的組分，使多種損耗機制協同增強，調控介磁匹配，增強材料的阻抗匹配能力，從而優化吸波性能。