浅谈石墨烯气凝胶在吸波领域的应用研究

部天宇

摘要：随着经济的发展和科技的进步，电磁污染越来越严重，研究吸波材料对民用和军事安全领域都将具有越来越重要的意义。石墨烯材料作为新型的二维纳米材料，具有较大的比表面积，良好的导电性和机械性能。本文简要介绍了石墨烯及石墨烯气凝胶材料的特点，并进一步分析了石墨烯气凝胶在吸波领域的应用研究。结果表明，石墨烯气凝胶在吸波领域具有良好的应用前景。

关键词：石墨烯;石墨烯气凝胶;吸波

【中图分类号】TB332

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0034-01

引言

随着现代科学技术的发展，各种电子、电气设备极大地提高了社会生产效率，为人们的日常生活带来了极大的便利。与此同时，电子、电气设备工作过程中产生大量的电磁辐射，又会影响人们的生产和生活，导致人类的生存空间日益恶化。目前，电磁污染已经成为继水源、大气和噪声污染之后具有较大危害性的新污染源。此外，在军事领域中吸波材料可以有效减少或消除雷达等对目标的探测，以提高战斗机、轰炸机等的战场隐身能力。因此，吸波材料成为目前社会和科学界关注的热点问题。石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料，由于其具有较大的比表面积，良好的导电性和机械性能等，成为吸波领域的研究热点。

l石墨烯及石墨烯气凝胶简介

石墨烯是一种厚度仅为一个原子层厚度的片状二维材料，其晶格是由6个sp2杂化的碳原子构成的正六边形结构，形状与常见的苯环类似。石墨烯的特殊结构决定了其在热学、电学、光学等方面拥有良好的性能。

目前石墨烯的制备方法常见的有机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积（CVD）法，此外还包括外延生长法和化学合成法等。以上几种制备方法所得到的石墨烯各有优点和缺点，如何扬长避短，提高石墨烯产率和质量，简化生产步骤，仍旧继续探索。

石墨烯由于具有多种优异性能，已经成为目前各领域的研究热点，如何将单个石墨烯片层的优秀性能拓展到宏观领域成为需要解决的重要问题。目前，三维结构的石墨烯气凝胶在催化、污水处理和降解、锂离子电池、超级电容器等方面得到了广泛的研究，结果表明，三维结构的石墨烯气凝胶比二维结构的石墨烯片表现出更优异的性能。

2石墨烯气凝胶在吸波领域的应用研究

随着通信设施和电子设备的广泛普及，对新型、高效、轻质的吸波材料的需求逐渐增加，将石墨烯气凝胶用于吸波领域也已经取得了良好的结果。

Zhou等人制备得到氮掺杂石墨烯气凝胶/石蜡复合材料。通过水热的方法在石墨烯的晶格中掺杂氮原子，可以有效地调节石墨烯的电学性能。结果表明，真空灌注法能在很大程度上有效地保留石墨烯气凝胶完整的3D结构。当气凝胶含量为3.6wt%时，样品的吸波性能最佳，对于厚度为3.3 mm的样品，其在13.10GHz处的最小反射损失可达- 53.25dB，并且反射损失小于-10dB（吸收率为90%）的带宽可达到8.15GHz。

Wang等人采用香烟过滤嘴作为模板，通过简单的浸涂方法制备得到由石墨烯纳米片涂覆的相互连接的碳纤维构成的3D石墨烯气凝胶。该复合气凝胶的密度仅为7.6mg/cm3，同时具有很高的机械强度（0.07MPa）。吸波性能测试结果表明，该气凝胶在14.6GHz处的最小反射损耗值可达-30.53dB，且其反射损耗小于-lOdB（吸收率为90%）的频带宽度为4.1GHz。此外，如果在复合气凝胶表面包覆聚吡咯导电聚合物，可使其最小反射损失值增加到-45.12dB。

Liu等人通过热解还原氧化石墨烯/聚乙烯醇网络的方法制备得到石墨烯气凝胶，其密度约为lOmg/cm3，通过向其中填充石蜡制备得到吸波样品。对比试验表明，相比较具有分散石墨烯片的样品，具有完整三维结构石墨烯气凝胶的样品表现出更优异的吸波性能。当石墨烯气凝胶的质量分数仅为1wt%时，样品厚度为3.5mm时，在12.19GHz处可达最小反射损失值为-43.5dB，其反射损失小于-lOdB的吸收频率带宽可达7.47CHz。

宏观泡沫一直被认为是最有前途的轻质、高效的微波吸收材料。Zhang等人制备得到一系列具有不同化学成分和物理结构的石墨烯泡沫，并研究了其在2-18GHz频率范围内的吸波性能。研究结果表明，泡沫的微波吸收性能与材料的碳原子/氧原子比，共轭碳域尺寸和石墨烯框架的微结构有很大关系。该石墨烯泡沫的密度仅为1.6mg/cm3，其在14.3GHz处的最小反射损失可达一34.OdB，表现出良好的吸波性能。

石墨烯气凝胶的三维网络结构可以使入射电磁波在其内部发生多重反射和散射，从而延长电磁波在其中的传播路径，有利于其更好地耗散。此外，在石墨烯片上存在缺陷及含氧官能团，会形成偶极子极化，从而将一部分电磁波轉化为热能耗散掉。

3结论

石墨烯由于具有较大的比表面积，优良的电学和机械性能成为吸波领域的研究热点。具有三维网络结构的石墨烯气凝胶具有较大的孔隙率和较小的密度，并可以导致电磁波在其内部的多重反射和散射从而更好地耗散电磁波，对于制备“薄、轻、宽、强”的新型吸波材料具有十分重要的应用。将石墨烯气凝胶与其他介电或磁性材料相复合，从而制备得到具有多重耗散机制的复合气凝胶，将是未来制备高性能吸波材料的研究方向。

参考文献

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