“電磁護(hù)甲”——基于新型復(fù)合石墨烯吸波材料的電磁隱身防護(hù)裝置

摘 要：產(chǎn)品是一款新型復(fù)合石墨烯吸波材料，創(chuàng)造性地運(yùn)用了LAS與氮摻雜改性石墨烯技術(shù)?；诖?，分別在軍用和民用兩個(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)了不同的產(chǎn)品。首先是軍用領(lǐng)域，出于信息化戰(zhàn)爭下的快速隱身以及重點(diǎn)設(shè)施的防護(hù)需要，設(shè)計(jì)了一款具有五層三明治結(jié)構(gòu)，集吸波、防紅外、防火、高強(qiáng)度等特性于一體的偽裝布，滿足了戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜條件下的快速隱身需要。在軍用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了民用領(lǐng)域的多款產(chǎn)品。針對(duì)孕婦等特殊人群，設(shè)計(jì)了一款電磁防護(hù)衣物用于保護(hù)孕婦及胎兒健康，產(chǎn)品運(yùn)用改性石墨烯技術(shù)，保證衣物穿著舒適，并且相較于市場(chǎng)同類衣物價(jià)格低廉。另外，與制造業(yè)企業(yè)合作，設(shè)計(jì)了一款工業(yè)生產(chǎn)電磁防護(hù)馬甲，并解決了大型水利設(shè)備的電磁防護(hù)問題。

關(guān)鍵詞：新材料；軍事隱身；電磁波吸收；軍民融合

1 作品介紹

我們利用LAS與氮摻雜的改性石墨烯技術(shù)研發(fā)了一款新型石墨烯復(fù)合吸波材料，該材料對(duì)電磁波的有效吸收率超99.999%，覆蓋主要X、Ku波段，具有高性能、寬帶寬等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們選擇石墨烯分散液，在不影響性能的情況下降低產(chǎn)品成本。基于這款材料，我們分別在軍用、民用領(lǐng)域設(shè)計(jì)了多款產(chǎn)品。

我們?yōu)檐娪妙I(lǐng)域設(shè)計(jì)了軍用快速偽裝裝置，以所研發(fā)的N摻雜LAS復(fù)合石墨烯材料為吸波層，以石英纖維為基體。該快速偽裝裝置在當(dāng)下柔性吸波器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)柔性石英布進(jìn)行改性，從而使得偽裝布具備防火性能。這種快速隱身裝置通過材料復(fù)合方式實(shí)現(xiàn)，既具備吸波材料的電磁隱身特性，同時(shí)又具有石英纖維的防火特性，還具有柔性等特殊屬性。對(duì)于某些大型或者特殊的設(shè)備，在運(yùn)輸過程中也可以應(yīng)用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的快速偽裝裝置進(jìn)行包裹遮蓋，從而達(dá)到電磁隱身的效果。

我們將吸波材料與柔軟布料相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款可日常穿戴的具有電磁防護(hù)功能的衣物。由于市場(chǎng)上的電磁防護(hù)衣物的原理主要是應(yīng)用電磁反射而非電磁吸收，導(dǎo)致電磁產(chǎn)品，如手機(jī)等放在衣兜里可能會(huì)對(duì)人體造成二次傷害。該產(chǎn)品應(yīng)用的電磁吸波材料，其吸波性能極佳，可以滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效解決此類問題。該產(chǎn)品應(yīng)用石墨烯分散液，極大降低了織物成本，其成本遠(yuǎn)低于市場(chǎng)同類金屬織物，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品運(yùn)用改性石墨烯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衣物舒適可水洗，相較于金屬織物更加柔軟、舒適、易清洗。

另外，針對(duì)大型水利設(shè)備與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的電磁防護(hù)，我們與相關(guān)企業(yè)合作，解決了大型水利設(shè)備容易受電磁干擾的問題，并且設(shè)計(jì)了一款用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境穿著的電磁防護(hù)馬甲，以解決工業(yè)電磁環(huán)境下的防護(hù)問題。

2 技術(shù)原理說明

本項(xiàng)目在還原氧化石墨烯材料的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款改性陶瓷/還原氧化石墨烯復(fù)合氣凝膠材料，其具備良好的電磁波吸收性能。單一的還原氧化石墨烯阻抗匹配較差，并不適合直接作為吸波材料。因此本項(xiàng)目選用了鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷（LAS）與還原氧化石墨烯進(jìn)行復(fù)合。鋰鋁硅優(yōu)異的透波性能可以大幅改善石墨烯阻抗匹配較差的問題，使得大部分電磁波在入射石墨烯表面時(shí)可以順利進(jìn)入材料內(nèi)部，大幅提高了材料的吸波能力。

文中設(shè)計(jì)的軍用產(chǎn)品主要由阻抗匹配層、整流層和吸波層構(gòu)成。阻抗匹配層覆蓋在器件表面，主要功能是改善器件與空氣處的阻抗匹配特性，使得電磁波能夠充分進(jìn)入吸波器件從而被吸收。整流層主要由定向排列的多壁碳納米管組成，用以改善整體的介電性能。吸波層均勻填充設(shè)計(jì)制備的吸波材料，主要以氮元素?fù)诫s改性還原氧化石墨烯作為基體，與鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷進(jìn)行水熱自組裝。測(cè)試結(jié)果表明，材料的強(qiáng)度大、孔隙率高、密度低，在7.69 GHz處，材料的吸波性能可以達(dá)到-43.12 dB，證明99%以上的電磁波被成功吸收，完全滿足理想電磁波吸收材料對(duì)“薄”“輕”“寬”“強(qiáng)”等性能的要求。產(chǎn)品具有柔性、防火、電磁隱身三大特殊屬性，可以達(dá)到快速進(jìn)行電磁隱身的效果。

民用產(chǎn)品在柔性吸波器件/柔性工作服的基礎(chǔ)上，通過選擇合適的面料作為基體，改善柔性吸波器件表面的舒適程度，使其更貼合人體皮膚。對(duì)石墨烯吸波材料進(jìn)行一定的羰基鐵粉摻雜升級(jí)，使其主要吸收波段偏移至低頻波段

（1～4 GHz），該產(chǎn)品適宜暴露在電磁環(huán)境中的孕婦。同時(shí)，以丁腈橡膠為基體，使產(chǎn)品具有較好的柔性，可隨意彎折扭轉(zhuǎn)。相比傳統(tǒng)吸波材料的涂料或板材，本項(xiàng)目所研發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)用范圍更廣，不影響工人正常的生產(chǎn)活動(dòng)。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過水熱自組裝的方式，合成了多孔的還原氧化石墨烯氣凝膠，同時(shí)與鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷復(fù)合，極大改善了材料的阻抗匹配性能，確保電磁波能夠充分進(jìn)入吸波體。

（2）由于氮元素和碳元素電負(fù)性相近，因此對(duì)還原氧化石墨烯進(jìn)行氮原子摻雜改性，摻雜的氮原子有助于提高電磁波的極化損耗能力。

（3）鋰鋁硅酸鹽陶瓷體系中，硅氧四面體和鋁氧四面體形成的雙螺旋鏈中會(huì)有約3 ?的通道，鋰離子可以在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而為離子極化提供了可能。

（4）目前對(duì)于電磁波吸收材料的研究較多，本產(chǎn)品創(chuàng)新性地提出了柔性吸波器件相關(guān)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)“一料多用”，根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境選擇不同基體，能夠解決不同場(chǎng)景下的電磁防護(hù)問題，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的廣泛性。

4 應(yīng)用前景

軍用方面，傳統(tǒng)石墨烯隱身涂裝材料類似于一層皮膚，一旦涂裝就難以脫落，這對(duì)于裝備的更新?lián)Q代十分不利，極大地增加了換裝成本。我們將傳統(tǒng)的電磁吸波涂料設(shè)計(jì)為使用便捷的布料，保留材料優(yōu)良吸波性能的同時(shí)提升了換裝和修復(fù)的靈活性。該材料能夠適應(yīng)極端多元的戰(zhàn)時(shí)環(huán)境，在裝甲隱身和營地重要目標(biāo)的隱身保護(hù)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

民用產(chǎn)品的目標(biāo)用戶分為兩類，一類是日常生活中有電磁防護(hù)需要的人群，如孕婦；另一類是需要進(jìn)行設(shè)備電磁防護(hù)與工人電磁防護(hù)的大型工業(yè)企業(yè)。產(chǎn)品基于軍用標(biāo)準(zhǔn)的高性能復(fù)合石墨烯吸波材料，在具體應(yīng)用中采用石墨烯分散液以降低成本，原料具有正規(guī)的工業(yè)化生產(chǎn)流程，能夠適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，對(duì)比市場(chǎng)上同類型產(chǎn)品具有舒適性與價(jià)格的雙重優(yōu)勢(shì)。未來將通過互聯(lián)網(wǎng)與線下雙重渠道積極開拓市場(chǎng)，以消費(fèi)者需求和國家需要為雙重導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)轉(zhuǎn)化的良性

循環(huán)。