摘要： 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁污染問題日益嚴(yán)重，因此開發(fā)質(zhì)量輕、厚度薄、吸收強(qiáng)、有效吸收頻帶寬的吸波材料顯得尤為重要。石墨烯存在無磁性、阻抗匹配水平低等不足，單獨(dú)使用時(shí)無法同時(shí)滿足吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。文章首先介紹了石墨烯一元吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀，以及石墨烯與其他損耗型材料復(fù)合可以構(gòu)筑具有多樣微觀結(jié)構(gòu)、多元協(xié)同損耗機(jī)制的輕質(zhì)復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)與寬頻電磁波吸收的研究進(jìn)展，然后論述了石墨烯基二元、三元、四元復(fù)合吸波材料的最新研究，展望了石墨烯基復(fù)合吸波材料未來的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞： 石墨烯;磁性粒子;導(dǎo)電聚合物;吸波材料;復(fù)合材料;通信技術(shù)

　　作者： 楊文棟

　　隨著電子技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的迅速發(fā)展，電磁防護(hù)(電磁干擾、電磁污染及雷達(dá)探測等)問題受到極大的關(guān)注[1-3]。電磁屏蔽材料和吸波材料是解決電磁防護(hù)問題的關(guān)鍵。但現(xiàn)有研究大多是針對反射型電磁屏蔽材料，而該類材料在反射電磁波時(shí)易造成二次污染，無法從根本上解決電磁防護(hù)問題[4-5]。吸波材料可以把電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而衰減及消耗電磁波能量，能更好地解決電磁防護(hù)問題。吸波材料的應(yīng)用是解決電磁輻射污染、雷達(dá)隱身等問題的關(guān)鍵因素，吸波材料的研究對軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有非常重要的意義。

　　碳材料因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的機(jī)械性能和較低的密度被廣泛應(yīng)用于電磁波吸收與屏蔽領(lǐng)域[8-10]。石墨烯作為一種新型碳基材料，具有獨(dú)特的二維材料性質(zhì)、巨大的性能可調(diào)控工作表面、良好的導(dǎo)電性及特殊的邊界效應(yīng)等特點(diǎn)，在電磁波吸收領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[11-12]。然而，石墨烯較大的介電常數(shù)、磁損耗的缺乏等不足限制了其電磁吸收性能，單獨(dú)使用時(shí)存在阻抗匹配差、吸收強(qiáng)度弱和吸波頻帶窄等缺點(diǎn)[13]。為了改善其吸波性能，研究者通常將石墨烯與其他損耗型材料復(fù)合以獲得性能優(yōu)異的吸波材料。

　　根據(jù)復(fù)合材料體系中主要吸波組分的數(shù)量，本文將石墨烯基吸波材料分為一元吸波材料及二元、三元、四元復(fù)合吸波材料。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先介紹了石墨烯一元吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀，然后論述了石墨烯基二元、三元、四元復(fù)合吸波材料的研究進(jìn)展，最后展望了石墨烯基復(fù)合吸波材料未來的發(fā)展方向。

　　1 石墨烯一元吸波材料

　　石墨烯具有密度低、耐腐蝕、比表面積大、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高，以及機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)勢，是一種應(yīng)用前景較好的輕質(zhì)介電損耗型吸波材料，但較大的介電常數(shù)也導(dǎo)致了石墨烯的阻抗匹配性能較差[14-15]。以石墨烯為主體，通過組裝三維氣凝膠、摻雜原子等方法制備的石墨烯一元吸波材料，可以通過降低介電常數(shù)的方法來改善材料的阻抗匹配性能[16]。

　　LI Qi等[17]以g-C3N4為模板采用化學(xué)氣相沉積結(jié)合高溫處理工藝，制備了具有網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯狀碳納米片(NGs)，如圖1(a)～(c)所示。具有三維多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4在高于710 ℃的溫度下可完全熱解而無需進(jìn)一步純化和分離，因此省去了繁瑣的模板去除過程并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高孔隙率和高氮摻雜。研究結(jié)果表明，當(dāng)NGs含量為5%時(shí)，該材料在1.8 mm處的最小反射損耗可達(dá)-50.2 dB，在2 mm處的有效吸收帶寬約為5.9 GHz。

　　LIU Panbo等[18]通過自組裝水熱反應(yīng)和冷凍干燥工藝制

　　備了具有高孔隙率和開放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超輕質(zhì)氮摻雜石墨烯泡沫(NGF)，如圖1(d)(e)所示。氮原子的存在有助于構(gòu)建開放的網(wǎng)狀壁并調(diào)整電性能，與純石墨烯泡沫相比，NGF表現(xiàn)出了更強(qiáng)的電磁波吸收性能，NGF含量為5%時(shí)，該材料在3.5 mm處的最佳反射損耗可達(dá)-53.9 dB。

　　LI Tian等[19]使用同軸靜電紡絲技術(shù)制備了具有空心殼結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠球(HGAS)，如圖1(f)～(h)所示。HGAS在宏觀尺度上呈現(xiàn)出球形結(jié)構(gòu)，而在微觀尺度上呈現(xiàn)出相互連接的徑向微通道結(jié)構(gòu)。獲得的HGAS樣品在2.3 mm的最小反射損耗和有效吸收帶寬分別為-52.7 dB和7.0 GHz。

　　石墨烯作為碳材料中常用的吸波基材，可以制備泡沫、薄膜、氣凝膠等吸波復(fù)合材料，然而僅由石墨烯作為吸波主體構(gòu)成的一元吸波材料并不能滿足吸波材料的發(fā)展理念。因此，研究者通常將石墨烯與其他損耗型材料復(fù)合制備多元復(fù)合吸波材料，來改善阻抗匹配和提高吸波性能，多元復(fù)合將是石墨烯吸波材料未來的發(fā)展方向。

　　2 石墨烯基二元復(fù)合吸波材料

　　石墨烯的損耗機(jī)制主要局限于與電導(dǎo)率有關(guān)的介電型損耗，單獨(dú)使用時(shí)阻抗匹配性較差，其微波吸收性能仍需進(jìn)一步提高[20]。為了改善其作為電磁吸收劑存在的不足，研究人員

　　通常將石墨烯與不同損耗機(jī)制的材料復(fù)合制備新型吸波材料，向石墨烯中引入磁性金屬成分制備石墨烯/磁性金屬二元復(fù)合吸波材料，是提高其吸波性能一種簡單有效的解決方案，如石墨烯/鐵氧體、石墨烯/金屬微粉等。

　　2.1 石墨烯/鐵氧體

　　將磁損耗材料與石墨烯復(fù)合可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電損耗和磁損耗，從而顯著提高其微波吸收性能。鐵氧體是常用的磁損耗型微波吸收材料，具有匹配性能好、制備成本低、吸波效果強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在密度大、吸收頻帶窄、熱穩(wěn)定性差等問題，將其與石墨烯復(fù)合可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，獲得性能優(yōu)異的二元復(fù)合吸波材料。

　　Fe3O4具有高磁導(dǎo)率、低成本和良好的抗氧化能力，是理想的磁損耗材料[21-22]。Fe3O4/石墨烯二元復(fù)合吸波材料(Fe3O4/GR)已經(jīng)引起了很多研究者的關(guān)注。

　　SUN Qilong等[23]采用原位還原法制備了三明治狀的Fe3O4-還原氧化石墨烯納米復(fù)合材料(RGO-Fe3O4)，如圖2(a)(b)所示。Fe3O4呈片狀，穩(wěn)定地嵌入到還原氧化石墨烯層中，形成了典型的三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波入射時(shí)，RGO-Fe3O4的界面極化弛豫和渦流效應(yīng)大幅增強(qiáng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。在632 GHz時(shí)RGO-Fe3O4的最大反射損耗高達(dá)-49.53 dB，有效吸收帶寬達(dá)到2.96 GHz(14.56～17.52 GHz)。ZHENG Yiwei等[24]首先通過熱解成功制備了多孔石墨烯，然后通過原位沉淀的方法將Fe3O4納米粒子均勻沉積在石墨烯表面，

　　合成了多孔石墨烯-Fe3O4復(fù)合材料(PG-Fe3O4)，如圖2(c)(g)所示。研究結(jié)果顯示，所制備的PG-Fe3O4復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和吸波性能，匹配厚度為6.1 mm時(shí)，在5.4 GHz處的最小反射損耗達(dá)到-53.0 dB，匹配厚度為2.7 mm時(shí)的有效吸收帶寬達(dá)到5.4 GHz(12.6～18.0 GHz)。

　　SHI Yunan等[25]采用簡易的水熱法制備了三維多孔Fe3O4/石墨烯復(fù)合泡沫材料(Fe3O4/GR)，如圖2(d)所示。Fe3O4均勻附著在相互重疊的石墨烯片上，微米級的三維多孔結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)入射電磁波的反射和能量損耗。當(dāng)石墨烯與Fe3O4的質(zhì)量比為1︰1時(shí)，F(xiàn)e3O4/GR具有最佳的微波吸收性能，厚度為2.5 mm時(shí)，最小反射損耗可達(dá)-45.08 dB;當(dāng)復(fù)合泡沫材料含量為8%時(shí)，有效吸收帶寬達(dá)到6.7 GHz。MALLESH Shanigaram等[26]制備了立方體狀的Fe3O4/氧化石墨烯納米復(fù)合材料(Fe3O4/GO)，如圖2(e)(f)(h)所示。Fe3O4/GO納米復(fù)合材料由于較好的匹配阻抗、磁損耗和高介電損耗的協(xié)同作用而表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能，當(dāng)匹配厚度僅為1.5 mm時(shí)，F(xiàn)e3O4/GO復(fù)合材料在16.8 GHz的最大反射損耗值為-66.7 dB，有效吸收帶寬達(dá)到4.0 GHz。

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