碳材料是電磁屏蔽和吸波材料研究的重要內容，對於石墨、碳纖維、碳納米管等材料的電磁屏蔽和吸收性能的研究已經相當廣泛。石墨烯具有室溫量子霍爾效應和良好的鐵磁性，與石墨、碳纖維、碳納米管等材料相比，擁有獨特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成為一種新型有效的電磁屏蔽和微波吸收材料。
石墨烯是單層碳原子緊密堆積而形成的一種超薄碳質新材料，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二維材料。自2004 年英國曼徹斯特大學的物理學教授A. Geim 和K. Novoselov 等用機械剝離方法觀測到單層石墨烯，其獨特的物理性能和在電子領域的潛在應用成為國際研究的熱點，並引起科學界新一輪「碳」熱潮。
碳材料是電磁屏蔽和吸波材料研究的重要內容，對於石墨、碳纖維、碳納米管等材料的電磁屏蔽和吸收性能的研究已經相當廣泛。然而，作為一種新型碳材料的石墨烯具有縱橫比、電導率和熱導率高、比表面積大、密度低等特點，其本徵強度高達130 GPa，常溫下的電子遷移率可達到15 000 cm2／(V · s)，是目前電阻率最小的材料。並且石墨烯具有室溫量子霍爾效應和良好的鐵磁性，與石墨、碳纖維、碳納米管等材料相比，擁有獨特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成為一種新型有效的電磁屏蔽和微波吸收材料。
因此，以石墨烯為研究方向，結合金屬納米材料或聚合物材料，通過結構設計研製性能優異的石墨烯複合材料，有望廣泛應用於電磁波吸收及電磁屏蔽等民用及軍事領域。筆者根據國內外學者的研究情況，重點介紹石墨烯複合材料在電磁波吸收以及電磁屏蔽領域中的研究進展，並對未來石墨烯複合材料的發展進行了展望。
石墨烯複合材料在電磁波吸收領域中的應用
隨著無線電探測技術和探測手段的發展以及其它非可見光探測技術和各種反偽裝技術的逐漸完善和應用，傳統武器裝備的生存受到嚴峻的挑戰。因此，研製高效吸收雷達波的輕型材料是提高武器裝備系統生存能力的有效途徑之一，是現代戰爭中最具有價值、最有效的戰術突防手段。可見，高性能輕型微波吸收材料研製及在武器裝備中的應用至關重要。
二維片狀的石墨烯具有高的比表面積(2 630 m2／g)以及特異的熱、電傳導功能，對微波能產生較強的電損耗。與傳統吸收劑相比，石墨烯材料以其優異的電磁性能成為一種有效的新型微波吸收材料。傳統的鐵磁類吸收劑，如Fe，Ni，Co，Fe3O4，Co3O4 等鐵磁性納米物質對電磁波具有較強的磁損耗。通過結構設計，將石墨烯與此類納米粒子複合後，得到石墨烯片層中鑲嵌強吸收電磁波納米磁性粒子結構的複合材料，並且可實現對微波較強的介電損耗和磁損耗。此類複合材料將石墨烯與磁性納米粒子的優異性能結合在一起，有效提高了石墨烯材料的磁損耗，並可顯著提高我國吸波材料的多頻譜兼容技術水平以及滿足現代武器裝備對於吸波材料「薄、輕、寬、強」的要求，是一種極有發展前途的新型吸收劑。其吸波機制主要為對微波的電導損耗、多重散射、介面極化、疇壁共振、電子能級分裂等。
目前，國內外均開展了石墨烯微波吸收特性的研究工作，但尚處於起步階段。
方建軍等採用化學還原液相懸浮氧化石墨法製備了石墨烯，並研究了石墨烯材料的微波吸收性能。研究表明，當吸波塗層厚度為1 mm 時，在7 GHz 左右反射率最大衰減值可達到–6.5 dB。為了提高石墨烯的電磁波吸收能力，將石墨烯進行親水處理後，在石墨烯表面採用化學鍍Ni 的方法沉積納米Ni 顆粒。當石墨烯／Ni 納米複合材料的厚度為1.5 mm 時，在12 GHz 左右的最大反射損耗為–16.5 dB，並且在9.5～14.6 GHz 頻段範圍內的反射損耗均低於–10 dB。
李國顯等探討了液相沉積法製備石墨烯負載不同納米磁性粒子複合材料的技術，通過微波輔助加熱方法，採用水合肼還原氧化石墨和鎳鹽得到了石墨烯負載納米Ni 粒子複合材料，測試了複合材料的電磁參數，分析了其在2～18 GHz 範圍內的微波吸收性能。研究表明，Ni 的引入可以增加石墨烯對電磁波的磁損耗，提高複合材料的微波吸收特性。塗層厚度為2.0 mm 時，在16.3 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達到–34.4 dB，反射損耗低於–10 dB的有效吸收帶寬達到3.9 GHz。
後續的研究表明，採用氧化還原法製備氧化石墨，經超聲分散於水中，並在氧化石墨懸浮液中加入Fe3O4 納米粒子，利用水合肼作為還原劑，在家用微波爐中輻照反應，得到石墨烯／Fe3O4 納米複合材料。分析了複合材料在0.1～18 GHz 頻段內的電磁參數。當複合材料中石墨烯和Fe3O4 納米粒子的質量比達到10∶1、吸收層厚度在2～2.5 mm 之間時，複合材料在6.5～8.7 GHz頻段範圍內的反射損耗均小於–20 dB。通過調節Fe3O4 粒子在複合材料中的質量比和吸收層厚度，可使其最大反射損耗的峰值達到–49.7 dB。
鞏艷秋等採用水熱法和超聲混合法製備了兼具介電損耗和磁損耗的石墨烯／鋇鐵氧體(BaFe12O19) 複合材料。經球磨和水熱還原後，複合材料中石墨烯和BaFe12O19 均形成多層結構，BaFe12O19 附著在石墨烯片層上或層片之間，此結構有利於衰減電磁波。研究發現，石墨烯的含量對石墨烯／BaFe12O19 複合材料的微觀組織形貌以及材料的電磁性能有較大影響。隨著石墨烯含量的增加，複合材料的飽和磁化強度、剩餘磁化強度和矯頑力降低；同時，複合材料的反射損耗峰值降低，有效吸收帶寬減小，且反射損耗吸收峰向低頻段移動。當石墨烯質量分數為10% 時，在12.74 GHz 有反射損耗最大值，其峰值可達到–22.98 dB，反射損耗低於–10 dB 的有效吸收帶寬達到4.26 GHz。
Xu Huailiang 等採用溶劑熱法化學合成了石墨烯／Fe3O4 複合材料，分析了在2～18 GHz 頻段內複合材料的吸波性能。當塗層厚度為2.0 mm，Fe3O4 空心半球的質量分數為30% 時，在12.9 GHz 左右出現最大反射損耗峰，其峰值可達到–24 dB，且反射損耗小於–10 dB 的有效吸收帶寬達到4.9 GHz。通過比較分析純石墨烯、石墨烯／Fe3O4 空心半球以及石墨烯／Fe3O4 實心球三種複合材料的反射損耗隨頻率變化的趨勢可知，石墨烯／Fe3O4 空心半球複合材料有較好的微波吸收能力，Fe3O4 空心半球的引入不僅可提高石墨烯複合材料對電磁波的吸收損耗，同時還能有效拓寬吸收頻帶。
Zhang Dongdong等採用水熱法製備了石墨烯／CdS 納米複合材料，其中CdS 鑲嵌在石墨烯薄片中，顆粒尺寸為20～70 nm，並研究了其微波吸收性能。當塗層厚度為3.3 mm 時，在9.95 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達到–48.4 dB，反射損耗低於–10 dB 的有效帶寬可達到6 dB。Liu Panbo 等[26] 採用溶劑熱法製備了石墨烯／聚苯胺／Co3O4 三元納米複合材料。研究表明，Co3O4 納米粒子可以有效改善石墨烯／聚苯胺的微波吸收性能，當塗層厚度為3 mm 時，在6.3 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達到–32.6 dB，在4.8～8 GHz 頻段範圍內的反射損耗均低於–10 dB。
在後續的研究 中，進一步製備了石墨烯／聚吡咯／NiFe2O4 三元納米複合材料。NiFe2O4 納米顆粒的引入提高了石墨烯／聚吡咯的微波吸收性能，拓寬了有效吸收頻帶。當塗層厚度為1.75 mm 時，反射損耗最大值可達到–44.7 dB，在12.6～17.3 GHz 頻帶的反射損耗均低於–10 dB。
上述研究結果表明，磁性納米材料的引入可以有效改善石墨烯的電磁性能，提高其微波吸收效果。必須從磁性材料的組分、磁性材料的結構以及複合材料的結構方面進一步研究，才能得到高性能的石墨烯磁性納米粒子複合吸波材料。
作為新一代碳材料的石墨烯，不僅具有獨特的物理結構和優異的力學、電磁性能，還具有良好的微波吸收性能，將其與磁性納米粒子複合後可以得到一種兼具磁損耗和電損耗的新型吸收劑，可極大地提高石墨烯複合材料的微波吸收性能。因此，開展多功能石墨烯以及磁性片狀石墨烯複合材料的研製，是未來新型吸收劑材料應用研究的重點。
原文網址：https://kknews.cc/science/e83p584.html
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