摘要： 隨著現(xiàn)代通信技術的飛速發(fā)展和電子設備的廣泛應用，電磁污染問題日益嚴重，因此開發(fā)質(zhì)量輕、厚度薄、吸收強、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，單獨使用時無法同時滿足吸波材料“薄、輕、寬、強”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合可以構筑具有多樣微觀結構、多元協(xié)同損耗機制的輕質(zhì)復合材料，實現(xiàn)高強與寬頻電磁波吸收的研究進展，然后論述了石墨烯基二元、三元、四元復合吸波材料的最新研究，展望了石墨烯基復合吸波材料未來的發(fā)展方向。

　　關鍵詞： 石墨烯;磁性粒子;導電聚合物;吸波材料;復合材料;通信技術

　　作者： 楊文棟

　　隨著電子技術在民用和軍事領域的迅速發(fā)展，電磁防護(電磁干擾、電磁污染及雷達探測等)問題受到極大的關注[1-3]。電磁屏蔽材料和吸波材料是解決電磁防護問題的關鍵。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易造成二次污染，無法從根本上解決電磁防護問題[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問題。吸波材料的應用是解決電磁輻射污染、雷達隱身等問題的關鍵因素，吸波材料的研究對軍用領域和民用領域都具有非常重要的意義。

　　碳材料因其優(yōu)異的導電性、良好的機械性能和較低的密度被廣泛應用于電磁波吸收與屏蔽領域[8-10]。石墨烯作為一種新型碳基材料，具有獨特的二維材料性質(zhì)、巨大的性能可調(diào)控工作表面、良好的導電性及特殊的邊界效應等特點，在電磁波吸收領域具有良好的應用前景[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，單獨使用時存在阻抗匹配差、吸收強度弱和吸波頻帶窄等缺點[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合以獲得性能優(yōu)異的吸波材料。

　　根據(jù)復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、四元復合吸波材料。結合國內(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、四元復合吸波材料的研究進展，最后展望了石墨烯基復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、電導率和熱導率高，以及機械強度高的優(yōu)勢，是一種應用前景較好的輕質(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為模板采用化學氣相沉積結合高溫處理工藝，制備了具有網(wǎng)狀多孔結構的氮摻雜石墨烯狀碳納米片(NGs)，如圖1(a)～(c)所示。具有三維多孔結構的g-C3N4在高于710 ℃的溫度下可完全熱解而無需進一步純化和分離，因此省去了繁瑣的模板去除過程并同時實現(xiàn)了高孔隙率和高氮摻雜。研究結果表明，當NGs含量為5%時，該材料在1.8 mm處的最小反射損耗可達-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和冷凍干燥工藝制

　　備了具有高孔隙率和開放網(wǎng)狀結構的超輕質(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)出了更強的電磁波吸收性能，NGF含量為5%時，該材料在3.5 mm處的最佳反射損耗可達-53.9 dB。

　　LI Tian等[19]使用同軸靜電紡絲技術制備了具有空心殼結構的石墨烯氣凝膠球(HGAS)，如圖1(f)～(h)所示。HGAS在宏觀尺度上呈現(xiàn)出球形結構，而在微觀尺度上呈現(xiàn)出相互連接的徑向微通道結構。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、氣凝膠等吸波復合材料，然而僅由石墨烯作為吸波主體構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合制備多元復合吸波材料，來改善阻抗匹配和提高吸波性能，多元復合將是石墨烯吸波材料未來的發(fā)展方向。

　　2 石墨烯基二元復合吸波材料

　　石墨烯的損耗機制主要局限于與電導率有關的介電型損耗，單獨使用時阻抗匹配性較差，其微波吸收性能仍需進一步提高[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制的材料復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合可以同時實現(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、吸波效果強的優(yōu)點，但也存在密度大、吸收頻帶窄、熱穩(wěn)定性差等問題，將其與石墨烯復合可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，獲得性能優(yōu)異的二元復合吸波材料。

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

　　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構。當電磁波入射時，RGO-Fe3O4的界面極化弛豫和渦流效應大幅增強，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。在632 GHz時RGO-Fe3O4的最大反射損耗高達-49.53 dB，有效吸收帶寬達到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復合材料(PG-Fe3O4)，如圖2(c)(g)所示。研究結果顯示，所制備的PG-Fe3O4復合材料具有優(yōu)異的力學性能和吸波性能，匹配厚度為6.1 mm時，在5.4 GHz處的最小反射損耗達到-53.0 dB，匹配厚度為2.7 mm時的有效吸收帶寬達到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構有利于增強入射電磁波的反射和能量損耗。當石墨烯與Fe3O4的質(zhì)量比為1︰1時，F(xiàn)e3O4/GR具有最佳的微波吸收性能，厚度為2.5 mm時，最小反射損耗可達-45.08 dB;當復合泡沫材料含量為8%時，有效吸收帶寬達到6.7 GHz。MALLESH Shanigaram等[26]制備了立方體狀的Fe3O4/氧化石墨烯納米復合材料(Fe3O4/GO)，如圖2(e)(f)(h)所示。Fe3O4/GO納米復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，當匹配厚度僅為1.5 mm時，F(xiàn)e3O4/GO復合材料在16.8 GHz的最大反射損耗值為-66.7 dB，有效吸收帶寬達到4.0 GHz。

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