淺談石墨烯氣凝膠在吸波領(lǐng)域的應(yīng)用研究

部天宇

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，電磁污染越來越嚴(yán)重，研究吸波材料對(duì)民用和軍事安全領(lǐng)域都將具有越來越重要的意義。石墨烯材料作為新型的二維納米材料，具有較大的比表面積，良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能。本文簡(jiǎn)要介紹了石墨烯及石墨烯氣凝膠材料的特點(diǎn)，并進(jìn)一步分析了石墨烯氣凝膠在吸波領(lǐng)域的應(yīng)用研究。結(jié)果表明，石墨烯氣凝膠在吸波領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯;石墨烯氣凝膠;吸波

【中圖分類號(hào)】TB332

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2236-1879（2018）13-0034-01

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電子、電氣設(shè)備極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)效率，為人們的日常生活帶來了極大的便利。與此同時(shí)，電子、電氣設(shè)備工作過程中產(chǎn)生大量的電磁輻射，又會(huì)影響人們的生產(chǎn)和生活，導(dǎo)致人類的生存空間日益惡化。目前，電磁污染已經(jīng)成為繼水源、大氣和噪聲污染之后具有較大危害性的新污染源。此外，在軍事領(lǐng)域中吸波材料可以有效減少或消除雷達(dá)等對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，以提高戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等的戰(zhàn)場(chǎng)隱身能力。因此，吸波材料成為目前社會(huì)和科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。石墨烯作為一種新興的二維納米材料，由于其具有較大的比表面積，良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能等，成為吸波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

l石墨烯及石墨烯氣凝膠簡(jiǎn)介

石墨烯是一種厚度僅為一個(gè)原子層厚度的片狀二維材料，其晶格是由6個(gè)sp2雜化的碳原子構(gòu)成的正六邊形結(jié)構(gòu)，形狀與常見的苯環(huán)類似。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)決定了其在熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面擁有良好的性能。

目前石墨烯的制備方法常見的有機(jī)械剝離法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法，此外還包括外延生長(zhǎng)法和化學(xué)合成法等。以上幾種制備方法所得到的石墨烯各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高石墨烯產(chǎn)率和質(zhì)量，簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，仍舊繼續(xù)探索。

石墨烯由于具有多種優(yōu)異性能，已經(jīng)成為目前各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如何將單個(gè)石墨烯片層的優(yōu)秀性能拓展到宏觀領(lǐng)域成為需要解決的重要問題。目前，三維結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠在催化、污水處理和降解、鋰離子電池、超級(jí)電容器等方面得到了廣泛的研究，結(jié)果表明，三維結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠比二維結(jié)構(gòu)的石墨烯片表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

2石墨烯氣凝膠在吸波領(lǐng)域的應(yīng)用研究

隨著通信設(shè)施和電子設(shè)備的廣泛普及，對(duì)新型、高效、輕質(zhì)的吸波材料的需求逐漸增加，將石墨烯氣凝膠用于吸波領(lǐng)域也已經(jīng)取得了良好的結(jié)果。

Zhou等人制備得到氮摻雜石墨烯氣凝膠/石蠟復(fù)合材料。通過水熱的方法在石墨烯的晶格中摻雜氮原子，可以有效地調(diào)節(jié)石墨烯的電學(xué)性能。結(jié)果表明，真空灌注法能在很大程度上有效地保留石墨烯氣凝膠完整的3D結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣凝膠含量為3.6wt%時(shí)，樣品的吸波性能最佳，對(duì)于厚度為3.3 mm的樣品，其在13.10GHz處的最小反射損失可達(dá)- 53.25dB，并且反射損失小于-10dB（吸收率為90%）的帶寬可達(dá)到8.15GHz。

Wang等人采用香煙過濾嘴作為模板，通過簡(jiǎn)單的浸涂方法制備得到由石墨烯納米片涂覆的相互連接的碳纖維構(gòu)成的3D石墨烯氣凝膠。該復(fù)合氣凝膠的密度僅為7.6mg/cm3，同時(shí)具有很高的機(jī)械強(qiáng)度（0.07MPa）。吸波性能測(cè)試結(jié)果表明，該氣凝膠在14.6GHz處的最小反射損耗值可達(dá)-30.53dB，且其反射損耗小于-lOdB（吸收率為90%）的頻帶寬度為4.1GHz。此外，如果在復(fù)合氣凝膠表面包覆聚吡咯導(dǎo)電聚合物，可使其最小反射損失值增加到-45.12dB。

Liu等人通過熱解還原氧化石墨烯/聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)的方法制備得到石墨烯氣凝膠，其密度約為lOmg/cm3，通過向其中填充石蠟制備得到吸波樣品。對(duì)比試驗(yàn)表明，相比較具有分散石墨烯片的樣品，具有完整三維結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的樣品表現(xiàn)出更優(yōu)異的吸波性能。當(dāng)石墨烯氣凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1wt%時(shí)，樣品厚度為3.5mm時(shí)，在12.19GHz處可達(dá)最小反射損失值為-43.5dB，其反射損失小于-lOdB的吸收頻率帶寬可達(dá)7.47CHz。

宏觀泡沫一直被認(rèn)為是最有前途的輕質(zhì)、高效的微波吸收材料。Zhang等人制備得到一系列具有不同化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫，并研究了其在2-18GHz頻率范圍內(nèi)的吸波性能。研究結(jié)果表明，泡沫的微波吸收性能與材料的碳原子/氧原子比，共軛碳域尺寸和石墨烯框架的微結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。該石墨烯泡沫的密度僅為1.6mg/cm3，其在14.3GHz處的最小反射損失可達(dá)一34.OdB，表現(xiàn)出良好的吸波性能。

石墨烯氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使入射電磁波在其內(nèi)部發(fā)生多重反射和散射，從而延長(zhǎng)電磁波在其中的傳播路徑，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團(tuán)，會(huì)形成偶極子極化，從而將一部分電磁波轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

3結(jié)論

石墨烯由于具有較大的比表面積，優(yōu)良的電學(xué)和機(jī)械性能成為吸波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠具有較大的孔隙率和較小的密度，并可以導(dǎo)致電磁波在其內(nèi)部的多重反射和散射從而更好地耗散電磁波，對(duì)于制備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的新型吸波材料具有十分重要的應(yīng)用。將石墨烯氣凝膠與其他介電或磁性材料相復(fù)合，從而制備得到具有多重耗散機(jī)制的復(fù)合氣凝膠，將是未來制備高性能吸波材料的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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