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】TB332

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】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，電子、電氣設(shè)備工作過程中產(chǎn)生大量的電磁輻射，又會影響人們的生產(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)等對目標(biāo)的探測，以提高戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等的戰(zhàn)場隱身能力。因此，吸波材料成為目前社會和科學(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介

石墨烯是一種厚度僅為一個原子層厚度的片狀二維材料，其晶格是由6個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)長避短，提高石墨烯產(chǎn)率和質(zhì)量，簡化生產(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，樣品的吸波性能最佳，對于厚度為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，同時具有很高的機(jī)械強(qiáng)度（0.07MPa）。吸波性能測試結(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，樣品厚度為3.5mm時，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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