浅谈石墨烯基复合材料在吸波领域的应用研究

浅谈石墨烯基复合材料在吸波领域的应用研究

孙霖秋

关键词：石墨烯；复合材料；吸波

0引言

随着电磁污染越来越严重，吸波材料在民用以及国防等领域具有越来越重要的地位，对其的研究也越来越多。目前对吸波材料的主要要求特点为“薄、轻、宽、强”，即在低厚度、低密度的情况下要求其吸波效果显著[1]。石墨烯作为一种新兴的碳二维纳米材料，其独特的结构使其拥有优良的电学，光学，热学以及优异的机械性能等[2]，为了拓宽其应用领域，通常将石墨烯与不同的材料混合，从而制备性能优良的复合材料。

1石墨烯基高分子复合材料的吸波性能

将石墨烯材料与高分子进行复合用来制备吸波材料是目前吸波领域的重点研究方向。Singh等[3]通过热剥离氧化石墨的方法制备得到具有层状多孔结构的还原氧化石墨烯（RGO）。通过将不同质量分数（2%、4%和10%）的RGO分散到丁腈橡胶基体中，制备得到复合材料。通过波导法测量RGO/丁腈橡胶复合材料的复介电常数和复磁导率，模拟研究表明，当RGO在丁腈橡胶基体中的质量分数为10wt%时，复合材料的有效吸收带宽（<-10dB）为7.5-12GHz，其在厚度为3mm时，在9.6GHz处具有最大反射损失值为-57dB。

Ren等[4]以环氧氰酸酯为基体，石墨烯纳米片为吸收剂，制备得到吸波复合材料。复合材料的显微结构表明石墨烯纳米片均匀分散于高分子基体中。复合材料的复介电常数随着石墨烯填料含量的增加而增加。作为吸收材料，石墨烯/环氧氰酸酯复合材料显示出优良的吸波性能。当石墨烯含量为3wt%时，复合材料的有效吸收带宽（<-10dB）为5.8-6.6GHz，其在厚度为3mm时，在5.8GHz处具有最大反射损失值为-15.7dB。研究发现随着复合材料厚度的增加，最小反射损失向低频区移动（从10.2GHz到4.5GHz），并在4mm厚度时，在4.5GHz处获得最小反射损失值-21.4dB。

2石墨烯基磁性复合材料的吸波性能

制备具有可调节电磁性能的轻质高效的微波吸收材料是目前吸波领域的研究热点和巨大挑战。Zhang等在还原的氧化石墨烯上负载NiFe2O4团簇，复合材料电磁性能高度可调，有效地提高了其微波吸收性能。复合材料的最大反射损失值为-58dB，有效吸收带宽（<-10dB）提高了约12倍。此外，通过对负载的磁性团簇进行调控，可以成功地实现微波吸收的频率选择，吸收峰可从4.6移到16GHz，覆盖了72%的测量频率范围。微波吸收性能的提高主要是由于合理调控磁性团簇，从而实现由多重弛豫、电导和共振引起的介电损耗和磁损耗的最佳协同效应。该NiFe2O4-石墨烯材料可作为多功能微波吸收材料广泛应用于民用、商业、军事和航天等各个领域中。

该材料具有良好的导电性以及改善的阻抗匹配性能，实现了介电损耗和磁损耗的协同作用。通过对磁性Fe3O4团簇的调节可以成功实现对复合材料微波吸收强度和有效吸收带宽的调控。结果表明，该复合材料的最小反射损失值增加了约7倍，可达-53.6dB，并且其在1.8mm厚度时的有效吸收带宽可达约5GHz。

3石墨烯基陶瓷复合材料的吸波性能

石墨烯基陶瓷复合材料是目前微波吸收领域的重点研究方向之一。Han等采用聚合物热解方法制备得到石墨烯和聚硅氧烷衍生的SiOC陶瓷的高性能电磁波吸收复合材料。石墨烯在低温下可以促进SiC纳米线异相成核，从而形成复合材料内二维石墨烯片和一维SiC纳米线的层级结构。对该复合材料在293-673K下的介电和微波吸收性能进行研究，结果表明当氧化石墨烯负载量为3wt％，复合材料厚度为2.35mm时，其在10.55GHz处具有最小反射损失值为-69.3dB该具有分层网络结构的石墨烯/SiC纳米线材料可用于高温下性能良好的陶瓷基微波吸收复合材料。

Zhang等采用还原氧化石墨烯和四针状ZnO（T-ZnO）混合制备得到一种新型的微波吸收复合材料，并研究了不同组分复合材料的微波吸收性能。文章主要对在2-18GHz范围内，不同RGO质量分数和材料厚度对复合材料微波吸收性能的影响进行了研究。研究结果表明，含5wt%石墨烯和10wt%T-ZnO的石墨烯/T-ZnO复合材料的微波吸收性能最佳，其在2.9mm的厚度时，在14.43GHz下的最小反射损失值可达-59.50dB。当厚度在2.5-4.0mm范围内时，其低于-20dB的吸收频带宽度可达8.9GHz（9.1-18.0GHz）。因此，该复合材料在X波段（8-12GHz）和Ku波段（12-18GHz）都具有较低的反射损失值和较宽的有效吸收带宽，从而在军事隐身方面具有很大的应用潜力。该复合材料优异的微波吸收性能主要归因于RGO的介电弛豫和极化、T-ZnO针状尖端的电子极化、电导损耗以及多重散射。

4结语

石墨烯作为一种新兴的二维纳米碳材料，由于其较大的比表面积，优良的导电性以及机械性能使其在吸波领域应用广泛。通过将石墨烯与高分子材料，磁性材料或陶瓷材料相复合，可以得到各种不同具体需要下性能优良的吸波材料，在吸波领域具有较广阔的应用前景。

参考文献

1.张娜,黄英,宗蒙,曲春昊,刘攀博.石墨烯基复合吸波材料的研究进展,材料开发与应用,2014,10,89-96.

2.徐刚,张春梅,薛文超,刘学发,李华,陈玉洁,刘河洲.石墨烯及其气凝胶的制备方法综述,装备制造技术,2016,11,60-64.

3.SinghVK,ShuklaA,PatraMK,etal.Microwaveabsorbingpropertiesofathermallyreducedgrapheneoxide/nitrilebutadienerubbercomposite,Carbon,2012,50,2202-2208.

4.RenF,ZhuG,WangY.Microwaveabsorbingpropertiesofgraphenenanosheets/epoxy-cyanateesterresinscomposites,J.Polym.Res.,2014,21,585.