石墨烯基复合吸波材料的最新研究进展

　　摘要： 随着现代通信技术的飞速发展和电子设备的广泛应用，电磁污染问题日益严重，因此开发质量轻、厚度薄、吸收强、有效吸收频带宽的吸波材料显得尤为重要。石墨烯存在无磁性、阻抗匹配水平低等不足，单独使用时无法同时满足吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。文章首先介绍了石墨烯一元吸波材料的发展现状，以及石墨烯与其他损耗型材料复合可以构筑具有多样微观结构、多元协同损耗机制的轻质复合材料，实现高强与宽频电磁波吸收的研究进展，然后论述了石墨烯基二元、三元、四元复合吸波材料的最新研究，展望了石墨烯基复合吸波材料未来的发展方向。

　　关键词： 石墨烯;磁性粒子;导电聚合物;吸波材料;复合材料;通信技术

　　作者： 杨文栋

　　随着电子技术在民用和军事领域的迅速发展，电磁防护(电磁干扰、电磁污染及雷达探测等)问题受到极大的关注[1-3]。电磁屏蔽材料和吸波材料是解决电磁防护问题的关键。但现有研究大多是针对反射型电磁屏蔽材料，而该类材料在反射电磁波时易造成二次污染，无法从根本上解决电磁防护问题[4-5]。吸波材料可以把电磁波能量转化为热能等其他形式的能量，从而衰减及消耗电磁波能量，能更好地解决电磁防护问题。吸波材料的应用是解决电磁辐射污染、雷达隐身等问题的关键因素，吸波材料的研究对军用领域和民用领域都具有非常重要的意义。

　　碳材料因其优异的导电性、良好的机械性能和较低的密度被广泛应用于电磁波吸收与屏蔽领域[8-10]。石墨烯作为一种新型碳基材料，具有独特的二维材料性质、巨大的性能可调控工作表面、良好的导电性及特殊的边界效应等特点，在电磁波吸收领域具有良好的应用前景[11-12]。然而，石墨烯较大的介电常数、磁损耗的缺乏等不足限制了其电磁吸收性能，单独使用时存在阻抗匹配差、吸收强度弱和吸波频带窄等缺点[13]。为了改善其吸波性能，研究者通常将石墨烯与其他损耗型材料复合以获得性能优异的吸波材料。

　　根据复合材料体系中主要吸波组分的数量，本文将石墨烯基吸波材料分为一元吸波材料及二元、三元、四元复合吸波材料。结合国内外研究现状，首先介绍了石墨烯一元吸波材料的发展现状，然后论述了石墨烯基二元、三元、四元复合吸波材料的研究进展，最后展望了石墨烯基复合吸波材料未来的发展方向。

　　1 石墨烯一元吸波材料

　　石墨烯具有密度低、耐腐蚀、比表面积大、电导率和热导率高，以及机械强度高的优势，是一种应用前景较好的轻质介电损耗型吸波材料，但较大的介电常数也导致了石墨烯的阻抗匹配性能较差[14-15]。以石墨烯为主体，通过组装三维气凝胶、掺杂原子等方法制备的石墨烯一元吸波材料，可以通过降低介电常数的方法来改善材料的阻抗匹配性能[16]。

　　LI Qi等[17]以g-C3N4为模板采用化学气相沉积结合高温处理工艺，制备了具有网状多孔结构的氮掺杂石墨烯状碳纳米片(NGs)，如图1(a)～(c)所示。具有三维多孔结构的g-C3N4在高于710 ℃的温度下可完全热解而无需进一步纯化和分离，因此省去了繁琐的模板去除过程并同时实现了高孔隙率和高氮掺杂。研究结果表明，当NGs含量为5%时，该材料在1.8 mm处的最小反射损耗可达-50.2 dB，在2 mm处的有效吸收带宽约为5.9 GHz。

　　LIU Panbo等[18]通过自组装水热反应和冷冻干燥工艺制

　　备了具有高孔隙率和开放网状结构的超轻质氮掺杂石墨烯泡沫(NGF)，如图1(d)(e)所示。氮原子的存在有助于构建开放的网状壁并调整电性能，与纯石墨烯泡沫相比，NGF表现出了更强的电磁波吸收性能，NGF含量为5%时，该材料在3.5 mm处的最佳反射损耗可达-53.9 dB。

　　LI Tian等[19]使用同轴静电纺丝技术制备了具有空心壳结构的石墨烯气凝胶球(HGAS)，如图1(f)～(h)所示。HGAS在宏观尺度上呈现出球形结构，而在微观尺度上呈现出相互连接的径向微通道结构。获得的HGAS样品在2.3 mm的最小反射损耗和有效吸收带宽分别为-52.7 dB和7.0 GHz。

　　石墨烯作为碳材料中常用的吸波基材，可以制备泡沫、薄膜、气凝胶等吸波复合材料，然而仅由石墨烯作为吸波主体构成的一元吸波材料并不能满足吸波材料的发展理念。因此，研究者通常将石墨烯与其他损耗型材料复合制备多元复合吸波材料，来改善阻抗匹配和提高吸波性能，多元复合将是石墨烯吸波材料未来的发展方向。

　　2 石墨烯基二元复合吸波材料

　　石墨烯的损耗机制主要局限于与电导率有关的介电型损耗，单独使用时阻抗匹配性较差，其微波吸收性能仍需进一步提高[20]。为了改善其作为电磁吸收剂存在的不足，研究人员

　　通常将石墨烯与不同损耗机制的材料复合制备新型吸波材料，向石墨烯中引入磁性金属成分制备石墨烯/磁性金属二元复合吸波材料，是提高其吸波性能一种简单有效的解决方案，如石墨烯/铁氧体、石墨烯/金属微粉等。

　　2.1 石墨烯/铁氧体

　　将磁损耗材料与石墨烯复合可以同时实现电损耗和磁损耗，从而显著提高其微波吸收性能。铁氧体是常用的磁损耗型微波吸收材料，具有匹配性能好、制备成本低、吸波效果强的优点，但也存在密度大、吸收频带窄、热稳定性差等问题，将其与石墨烯复合可以发挥两者的优势，获得性能优异的二元复合吸波材料。

　　Fe3O4具有高磁导率、低成本和良好的抗氧化能力，是理想的磁损耗材料[21-22]。Fe3O4/石墨烯二元复合吸波材料(Fe3O4/GR)已经引起了很多研究者的关注。

　　SUN Qilong等[23]采用原位还原法制备了三明治状的Fe3O4-还原氧化石墨烯纳米复合材料(RGO-Fe3O4)，如图2(a)(b)所示。Fe3O4呈片状，稳定地嵌入到还原氧化石墨烯层中，形成了典型的三明治结构。当电磁波入射时，RGO-Fe3O4的界面极化弛豫和涡流效应大幅增强，表现出优异的吸波性能。在632 GHz时RGO-Fe3O4的最大反射损耗高达-49.53 dB，有效吸收带宽达到2.96 GHz(14.56～17.52 GHz)。ZHENG Yiwei等[24]首先通过热解成功制备了多孔石墨烯，然后通过原位沉淀的方法将Fe3O4纳米粒子均匀沉积在石墨烯表面，

　　合成了多孔石墨烯-Fe3O4复合材料(PG-Fe3O4)，如圖2(c)(g)所示。研究结果显示，所制备的PG-Fe3O4复合材料具有优异的力学性能和吸波性能，匹配厚度为6.1 mm时，在5.4 GHz处的最小反射损耗达到-53.0 dB，匹配厚度为2.7 mm时的有效吸收带宽达到5.4 GHz(12.6～18.0 GHz)。

　　SHI Yunan等[25]采用简易的水热法制备了三维多孔Fe3O4/石墨烯复合泡沫材料(Fe3O4/GR)，如图2(d)所示。Fe3O4均匀附着在相互重叠的石墨烯片上，微米级的三维多孔结构有利于增强入射电磁波的反射和能量损耗。当石墨烯与Fe3O4的质量比为1︰1时，Fe3O4/GR具有最佳的微波吸收性能，厚度为2.5 mm时，最小反射损耗可达-45.08 dB;当复合泡沫材料含量为8%时，有效吸收带宽达到6.7 GHz。MALLESH Shanigaram等[26]制备了立方体状的Fe3O4/氧化石墨烯纳米复合材料(Fe3O4/GO)，如图2(e)(f)(h)所示。Fe3O4/GO纳米复合材料由于较好的匹配阻抗、磁损耗和高介电损耗的协同作用而表现出优异的电磁波吸收性能，当匹配厚度仅为1.5 mm时，Fe3O4/GO复合材料在16.8 GHz的最大反射损耗值为-66.7 dB，有效吸收带宽达到4.0 GHz。

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