基于石墨烯的吸波材料应用研究

王豪，彭铮

（1.海军驻南昌地区航空军事代表室江西，南昌330001；2.航空工业洪都江西，南昌330024）

基于石墨烯的吸波材料应用研究

王豪1，彭铮2

（1.海军驻南昌地区航空军事代表室江西，南昌330001；2.航空工业洪都江西，南昌330024）

吸波材料是目前民用电磁防护和武器装备隐身的研究重点和热点。石墨烯作为一种新型的"超级材料"，由于其独特的性能引起了吸波材料领域研究者的关注。石墨烯不仅拥有优异的理化性能，对于材料吸波机理产生的影响也是显著的。本文综述了国内外关于石墨烯吸波材料的最新研究，并展望了多元体系的石墨烯吸波材料的发展方向。

石墨烯；吸波材料；复合材料

0 引言

随着电子信息技术的发展和电子产品的普及，电磁波在人们的日常生活中广泛存在，电磁辐射过高就会超出人体和环境能够承受的上限，形成电磁污染，被看作是继水污染、噪音污染以及空气污染之后的第四大污染源[1]。电磁波的传播还会导致电磁干扰等问题，因而能够吸收一定频率电磁波的材料在民事领域具有广泛的应用前景。在军事领域，雷达仍然是现代战争中搜寻目标的惯用手段，其工作方式是先发射电磁波，然后通过由被探测军事装备反射的电磁波来锁定目标的方位，并对其进行追踪、定位、敌我识别。研制能够高效吸收电磁波的雷达隐身材料是提高武器系统生存能力的有效途径之一，且已经成为现代战争中最具有价值、最有效的战术突防手段，成为各国研究的重中之重，备受世界各军事大国的高度重视。因此，吸波材料在民事和军事领域上都有广泛的研究价值和应用前景。

石墨烯是2004年首次发现的一种新型的二维纳米材料，其神奇的二维结构使其具有独特的理化性能。石墨烯与传统的碳质材料相比，不仅密度更低、比表面积更大，而且具有高电导率和热稳定性，这些特点使石墨烯有可能取代传统碳材料而成为一种新型的电磁波吸收材料。但不可回避的是，与其它碳系材料类似，单纯石墨烯的主要电磁波衰减机制是电损耗，因而吸波性能欠佳，从材料本构特性角度进一步提高石墨烯材料的电磁波吸收性能是一个亟待解决的问题。因此，将碳材料与铁氧体、电损耗型的金属化合物纳米粒子复合是提高吸波性能的一种有效途径。石墨烯比表面积大，很适合作为载体来负载纳米粒子，不仅可以有效解决纳米粒子分散性差、自身易团聚的难题，而且可以在纳米尺度上对其结构和性能进行设计和优化，从而制备出具有特定组成、结构和性能的石墨烯基多功能复合吸波材料。

1 石墨烯简述（图1）

石墨烯是一种平面结构的二维材料，由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状结构组成，其中每一个sp2碳原子都是通过3个120°夹角的C-C-σ键与其他碳原子连接，剩余未被杂化p轨道的π电子在垂直于sp2杂化的平面方向形成离域大π键，π电子可以在整个二维结构中自由移动，石墨烯的σ键键长为1.46Å，晶格常数为2.46Å。另外，石墨烯的厚度只有一个碳原子的大小（约为0.335nm），可以看作是单层的石墨。石墨烯的这些特殊结构使它具备了非常独特的物理化学性能[2-4]。

1）出色的导电性能。石墨烯是目前已知的导电性能最好的材料。石墨烯中的电子运动速度可以达到光速的1/300。石墨烯的价带和导带相交于费米能级，赋予了石墨烯独特的零能隙半导体性能，在电子密度为2×1011cm-2时，石墨烯在室温下的载流子迁移率大于2×105cm2/灾s，是目前最高迁移率的锑化铟材料的两倍。在未来，石墨烯或有可能取代硅制造超微型晶体管，将计算机处理器的运算速率提高百倍。

2）优秀的力学性能。强大的σ-π键使石墨烯的杨氏模量超过1 TPa，相当于目前最好的钢材强度的100多倍，硬度甚至超过了钻石，是目前自然界强度最大的材料，而它的密度却很小，理论上石墨烯的面密度仅为0.77 mg/m2。

3）优异的导热性能。在室温下，石墨烯的热传导率约为5000W/mK，是常用的金属导热材料如金银铜的十几倍，是铝的二十多倍。

4）石墨烯还具有其他一些特殊的性能，如超高的比表面积。单原子层石墨烯的理论比表面积可以达到惊人的2630 m2/g，是活性炭的比表面积的2-3倍，可以用于吸附和脱附各种大分子和小颗粒。石墨烯的光学透过率达到97.7%，这种特性让石墨烯在太阳能电池的透明电极也有应用的潜力。

2 吸波机理（图2）

电磁波在传播过程中遇到任何形状的介质时，在电磁波的入射面或界面都会发生反射和透射现象。由于原传播介质的波阻抗和材料的波阻抗并不匹配，就会有一部分的电磁波发生反射，而另一部分则透射进入到介质内部。阻抗越不匹配，反射的电磁波就越多。只有当它们的波阻抗相互匹配时，电磁波才会最大效率的入射到材料内。电磁波在材料内部传播过程中与材料发生相互作用并被转化为其他形式的能量如机械能、电能和热能等，即电磁波损耗。所以吸波材料的吸波性能主要由以下两个条件[5]决定：

1）阻抗匹配特性，即减少电磁波在材料表面的反射或电磁波能够最大限度的进入到材料内部；

2）衰减特性，即电磁波进入到材料内部后，材料能够对电磁波进行有效的吸收或损耗，减少电磁波的二次反射。

多组分石墨烯基吸波材料通过复合杂化粒子微结构及协同效应，并研究吸波材料的负载密度、形貌、结构、各组份成份含量以及各组份之间的协同效应对其电磁参数的影响，同时利用石墨烯的特殊结构以及石墨烯与纳米粒子复合所带来的特殊性质所造成的界面极化、电子弛豫极化和偶极子极化等效应来损耗电磁波，获得具备了多种电磁波损耗机制、性能可调的质轻、高强、宽频吸波材料结构体系。

3 国内外研究现状

近年来，研究者在对于石墨烯吸波材料方面的研究做了很多有价值的工作。

Zong M等[6]通过“一锅水热合成法”将氧化石墨的还原过程和CoFe2O4晶体的结晶过程在一步过程中实现，并且在避免使用化学还原剂的条件下合成出了RGO/CoFe2O4复合材料（图3）。这种复合材料相比较于纯净的CoFe2O4和RGO材料，表现出了优异的电磁性能，材料不仅在12.4 GHz下达到-47.9 dB的最大反射损耗，并且在12.4-17.4 GHz内的反射损耗低于-10 dB。

Zhu Z等[7]通过一种简易湿化学法合成得到氧化还原石墨烯-球状羰基铁（RGO-SCI）复合材料。分析发现，由于RGO和SCI的结合，使原本高介电常数和低磁导率因限制石墨烯的阻抗匹配而得到了显著的提升。复合材料的吸波机理可以用“碳桥效应”（图4）来解释，这与合成的复合材料中交叉连接的微观框架结构是息息相关的。

Sun D等[8]通过两步法将不同微观尺寸和介孔结构的Fe3O4粒子修饰在石墨烯表面制备得到GN-Fe3O4复合材料。电镜显示不同粒径的Fe3O4纳米粒子均匀的嵌在石墨烯片层两侧。复合材料在0.5-18 GHz内展现了较好的吸波性能。此材料合成路线示意见图5。

Sun C等[9]发现石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料匹配厚度为2.5 mm时，在12.9 GHz处达到最大吸收-45.1 dB。Wang G等[10]发现CuS修饰过的石墨烯复合材料匹配厚度为2.5 mm时，在10.7 GHz处最大反射损耗达-32.7 GHz。

此外，多元体系的石墨烯基复合吸波材料的设计与制备以及电磁波吸收性能的研究在国际上刚刚开展，如Huang Y等[11,12]制备了PEDOT-RGO-Co3O4和NiO@SiO2@RGO复合吸波材料，研究发现PEDOT-RGO-Co3O4复合材料匹配厚度为2.0 mm时，反射损失低于-10 dB的频宽达3.1 GHz（9.2～12.3GHz），在10.7 GHz处达到最大吸收-51.1 dB；NiO@SiO2@RGO复合材料匹配厚度为3.0 mm时，反射损失低于-10 dB的频宽达5.8 GHz（9.2～15 GHz），在11.6 GHz处达到最大吸收-43.8 dB。Gao P等[13]制备了SiO2@Fe3O4/RGO复合材料，研究发现该材料匹配厚度为2-4.5 mm时，大范围上的反射损失值低于-20 dB，在15.2 GHz处匹配厚度为2.5 mm时达到最大吸收-31.9 dB。

4 结语

综上所述，高的比表面积、优秀的电学性能和特殊的二维结构等特性都赋予了石墨烯作为新型复合吸波材料理想构建单元的优异潜能，但石墨烯基复合吸波材料的综合吸波性能仍有待提高。采用多种组份的纳米粒子与石墨烯复合，在一定程度上减轻了石墨烯片层的团聚，更重要的是制备的多组份复合材料具有多功能，对于吸波材料而言，每一组份的材料具有不同的电磁波吸收特性（包括最大吸收峰位置和强度等），多种组份的材料复合时吸波材料能兼顾其材料的优点，实现优势互补。但多元复合材料在制备时存在的缺点也很明显，如不同界面的相容性差、多组份材料的分散性和均匀性不易控制等。尽管如此，多元体系的石墨烯基复合吸波材料的设计与制备依旧会成为未来新型吸波材料研究的重点，作为新型基材的石墨烯，也会对推动隐身材料的技术发展以及电磁防护方面的研究发挥更大的作用。

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[13]Ren Y,Gao P,et al.Three-dimensional SiO2@Fe3O4core/shell nanorod array/graphene architecture:synthesis and electromagnetic absorption properties[J].Nanoscale,2013,5(24):12296-12303.

Application Research of Wave-absorbing Material Based on Graphene

Wang Hao1,Peng Zheng2
(1.PLA Navy Resident Representative office in Nanchang,Jiangxi,330001;2.A灾IC-HONGDU，Nanchang，Jiangxi 330024)

Wave-absorbing material is the key and hot research issue for civil electromagnetic protection and weapon equipment stealth.As a new kind of"super material",graphene attracts attention of research follows in the field of wave-absorbing material because of its unique performance.Graphene is not only possessed of excellent physical&chemical performance,but also has significant effect on the generation of absorbing mechanism.This paper briefs the latest research on graphene wave-absorbing material both at home and abroad,and outlooks the development trend of graphene wave-absorbing material with multi-component system.

Graphene；Wave-absorbing material；Composite

2017-08-09）

>>>作者简介 王豪，男，1976年出生，1998年毕业于西北工业大学，现从事装备质量管理工作，工程师。