石墨烯基吸波材料的研究进展

(1.安徽理工大学材料学院 安徽 淮南 232000；2.盐城工学院材料学院 江苏 盐城 224051)

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现的，他们通过高定向热解石墨中剥离出单层石墨片；石墨烯在电磁场作用下原子外层电子极化弛豫形成电阻型吸波材料，与磁损耗吸波材料和电损耗材料复合能明显提高材料的电磁波吸收性能，在电磁波吸收领域有较好的应用前景[1-2]。

一、石墨烯及其衍生物的基本性质

石墨烯是由单层原子构成，具有比表面积大，表面无含氧基团,化学反应惰性,耐高温且不易氧化的特点，并且具备优异的电学特性。氧化石墨烯是石墨烯最重要的衍生物,它保留了原本二维的碳骨架层,并在边缘连接有羟基、环氧基、羰基和羧基等含氧官能团。氧化石墨烯相比于石墨烯而言在水溶液或有机溶液中有非常好的分散性,且易与其它物质发生化学反应。

二、电磁波吸收机理

电磁波吸收材料是指能有效接收入射电磁波,并使其转化成热能消耗或目标回波强度显著减弱的一类电磁功能材料。吸波材料性能良好必须具备两个条件:(1)减少电磁波在材料表面的直接反射,增加透射强度(2)电磁波一旦进入材料内部,要实现最大限度衰减和损耗。

三、石墨烯基电磁波吸收材料研究进展

(一)石墨烯基二元复合材料

1.石墨烯/纳米碳。碳纤维和石墨烯组合形成异质结构复合材料,吸波性能有较大提升,不同电导率的碳纳米微球与石墨烯复合可制备吸波频率可调的复合材料，石墨烯/碳纳米管复合材料中，碳纳米管的中空结构增加了电磁波的耗散途径,增强了界面极化效应，增加介电损耗途径,有效提高电磁波损耗能力。

2.石墨烯/纳米金属及其化合物。纳米金属是良好的吸波材料,具有宽频带和兼容性好等特点。磁性金属微粉是一类非常重要的纳米金属电磁波吸收剂,石墨烯的大比表面积有利于改善材料间的相互接触,提供良好的电子传输通道,其与金属纳米材料复合可增强界面极化强度,从而提高高频介电损耗,增强吸波效果。林帅[3]通过化学电镀法在石墨烯表面负载一层大小约为50 nm的Co纳米颗粒，当匹配厚度为2.5mm时，复合材料在11.5GHz最大损耗达到-13dB，当匹配厚度为2mm时有效吸波频宽为5GHz，镀钴的石墨烯吸波性能有明显的提高。

3.石墨烯/铁氧体复合材料。铁氧体属于双复介电材料,既有亚铁磁性又有介电特性。将铁氧体与石墨烯复合可以发挥各自优点,通过多种损耗途径吸收电磁波,达到密度小且高效吸收的效果。隋宏超[4]采用Hummers法制备氧化石墨烯，在此基础上通过水热法和溶胶凝胶法制备氧化石墨烯/钴(镍)锌铁氧体复合吸波材料，通过电磁性能分析在8.2～12.4GHz的频率范围内，复合吸波材料的电损耗角正切值大于1，磁损耗角正切值大于0.15，具有较好的吸波性能。

4.石墨烯/导电聚合物复合材料。利用石墨烯修饰导电聚合物,可以有效改善产物阻抗匹配性,降低层厚度,使电导率可调,从而达到最优吸波效果。常见制备石墨烯-导电聚合物纳米复合材料的基体包括:聚吡咯、丙烯腈丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。程祥珍等[5]通过原位氧化聚合法制备聚苯胺-石墨烯纳米复合材料，聚苯胺呈纳米棒状结构相互缠绕并镶嵌在石墨烯表面；当匹配厚度为2mm时，最大反射损耗在15.8GHz处达到-28.6dB，有效频宽达到4.3GHz。

(二)石墨烯基三元复合材料

相较石墨烯基二元复合材料,三元组分复合可进一步改善产物阻抗匹配性,提升电磁波损耗能力。目前,三元复合材料主要以介电损耗和磁损耗协同消耗机理为主。Zhang[6]通过三步法合成RGO/ PANI/ BNSF纳米复合材料,优异的损耗机制以及介电损耗与磁损耗之间的协同效应使其具有优异的微波吸收性能,当匹配厚度为2.9mm时，最小反射损耗在13.68GHz达到-50.5dB，有效吸收带为6.8GHz。

四、吸波性能的影响因素

纯石墨烯材料多采用化学氧化还原法制备,大量存在的缺陷及残留的含氧基团不仅可以改善石墨烯的阻抗匹配性,还可以有效提高其吸波性能，下面分别从三个方面对石墨烯基电磁波吸收材料吸波性能的影响因素进行分析。

(一)损耗机制。纯石墨烯是介电损耗型吸波材料,而将其他物质与石墨烯复合可进一步提升产物电磁波损耗能力,这主要得益于多元组分间良好的阻抗匹配性及介电损耗和磁损耗的协同消耗机理。

(二)组分数量。三元/多元石墨烯基电磁波损耗材料的电磁波损耗能力整体优于二元复合材料,这是由于多层材料各组分间良好的阻抗匹配性,增强的界面/层间极化效应、介电损耗和磁损耗相互协同效应及粒子间的空隙对电磁波的折/反射效应叠加所致。

(三)结构。无论是改变反应条件,还是各组分结合状态,都会促使产物形貌及微观结构发生变化。研究发现,形貌和结构的差异对复合材料电磁波损耗能力影响很大。通过调控产物形貌及结构,改变阻抗匹配性,增加界面及层间极化作用,可以提高复合材料吸波性能。

五、结束语

目前的研究已经证明了石墨烯以其独特的性能对提高材料电磁波损耗能力等方面有着巨大的应用潜力，但纯石墨烯材料作为介电损耗型吸波剂,对电磁波损耗效果欠佳,在以下几个研究方向仍存在一些挑战:(1)多组分石墨烯基电磁波损耗材料吸波机理研究;(2)三维复合结构石墨烯基电磁波损耗材料研究;(3)石墨烯基电磁波损耗材料功能与结构一体化设计研究。

为了进一步提升石墨烯基吸波材料的吸波性能,尽快在相关领域开展应用。必须开发规模化、量产化的石墨烯制备技术和复合工艺,提高石墨烯质量。在减重和增效基础上实现功能与结构一体化设计目标,这不仅会推动军事隐形材料的发展,还会在防护电磁波辐射等民用方面发挥重要作用。