碳系纳米吸波材料的研究进展

何立粮 刘斌

广州特种承压设备检测研究院 广东 广州 510000

引言

随着通讯和电子技术的不断发展和广泛应用，加之无线电射频设备的功率成倍提高，引发严重的电磁干扰或电磁污染[1]。目前市面上常用吸波剂为铁磁性金属材料、金属氧化物、金属硫化物等，这些吸波材料具备成本低、稳定性好和易加工等优点，但其微波损耗机制单一、阻抗匹配差、吸收频带较窄，难以满足市场需求的“轻质、宽频、高吸收”等需求，故制备多种损耗机制的复合材料成为研究热点。

通常吸波材料可分为电阻型损耗、电介质损耗和磁损耗型材料，在科学研究过程中，可根据协调增强效应，调节复合材料的配合种类和微观结构，使其能够具备两类以上的微波损耗机制，从而提升其吸波性能。碳材料因其具备密度小、比表面积大、电子迁移率高、电磁参数可调、吸收电磁波能力强等优点，常被用做复合吸波材料关键组分。本文探讨的吸波材料主要为碳系的生物质碳、碳纳米管、石墨烯及二维过渡金属碳化物MXene等，可通过对其进行表面改性、复合以及微观结构设计等处理，提升其吸波性能。本文对碳系复合材料在吸波领域中的应用进行总结探究，并对未来研究方向进行展望。

1 碳系纳米复合吸波材料

1.1 生物质碳吸波材料

生物质碳材料为富含碳的天然生物质活化和高温热解得到的一种多孔碳材料，来源丰富，成本低廉，且导电性优异、孔结构丰富，比表面积大。而生物质碳材料微波损耗机制仅为电阻型损耗，无法单独成为各项性能优异的吸波材料，基于此，Zhou等[2]采用ZnCl2活化核桃壳高温碳化制备了纳米多孔生物质碳（NBC），为了提高阻抗匹配，在NBC表面原位合成了Fe3O4纳米颗粒，增加了多孔碳内部的缺陷，降低了导电性，增加了材料的极化位点，增强了极化损耗，且Fe3O4纳米颗粒引入更多界面，增强了基体材料的界面极化。此外，Fe3O4纳米颗粒的引入增加了磁性损耗，介电损耗和磁性损耗的机制协调改善了材料的阻抗匹配性能。

生物质碳复合材料从天然生物材料中提取获得，成本低廉，绿色无污染，操作简便，可再生和大量合成。通过结构调控和与磁性材料复合，可以获得优异的吸波性能，为未来可持续、轻质、高吸收性能的吸波材料的研究提供了一条极具前景的道路。

1.2 碳纳米管吸波材料

碳纳米管具有高导电性和高纵横比特性、小尺寸效应且介电损耗性能尤为突出，是一种为典型的电损耗性材料。因量子限域效应碳纳米管的电子沿轴向运动，赋予碳纳米管金属和半导体特性，有利电磁波的吸收。Cao等[3]成功制备了两相异质结构复合物Fe3O4/MWCNT，其中，磁性材料Fe3O4的引入使得复合物在界面上产生介电常数和磁导率共振，磁损耗得到充分增强，提高了材料的微波吸收性能，拓宽了有效吸收带宽，得到了一种高效的电磁屏蔽和衰减填料。Xu等[4]以二茂铁为碳源和催化剂，开发了一种在SiC纤维上大规模制备CNTs的新方法，所制备的碳纳米管/SiCf复合材料具有较强的电磁波吸收能力和较宽的有效吸收带宽，当CNTs含量仅为0.72wt %，复合物填充量为20wt %，匹配厚度为4mm时的反射损耗达到−62.5dB，有效吸收带宽为8.8GHz，几乎覆盖了整个Ku波段和3/4X波段。Hu等[5]利用化学沉积法合成了含氮和铁掺杂的碳纳米管，利用溶剂热法将镍盐和钴盐均匀分散在碳纳米管上，通过在空气下烧结得到N，Fe-CNTs/NiCo2O4复合吸波材料，匹配厚度为2.5mm，在9.0GHz下最小反射损耗达-45.1dB。

目前，碳纳米管作为吸波材料为一个研究热点，其特殊的结构，给研究者留下了诸多可设计空间，可以进行填充改性，通采用低成本、高效的制备方法及结构优化和改性技术，碳纳米管将成为吸波材料重要的发展方向。

1.3 石墨烯吸波材料

石墨烯是由单层碳原子以紧密蜂窝状六边形堆积而成，因其具有稳定的二维结构和丰富的官能团，而且还表现出极高的比表面积、优异的导电性及电子迁移率，故被广泛用于吸波领域中，且应用潜力巨大。

因石墨烯在吸波方面仅具介电损耗吸波机制，比表面积大易团聚，且单一石墨烯与树脂基材相容性差，阻抗匹配性差，故电磁波衰减效果不佳。因此，将石墨烯与具备其他吸波损耗机制材料复合，可产生协同效应，提高阻抗匹配，使吸波材料兼具磁损耗和电损耗等损耗机制，从而表现更为优秀的吸波性能。诸多研究表明，石墨烯片层上存在大量缺陷和官能团，而这使得其电导率降低，且为其吸收和衰减电磁波提供极化点。此外，石墨烯复合材料具备三维分层结构，有利于电子传输，极化损耗效果。因此，利用石墨烯高比表面积以及独特的分子结构，可以改善其阻抗匹配和分散特性等问题，制备得到协同增强复合型吸波材料。国内外学者对其进行了研究和讨论，D.B.Giovanni等研究了石墨烯的吸波性能，指出高长径比的石墨烯更易形成强导电网络，利于电荷转移，有更好的吸波性能；王振宇等[6]制备了石墨烯/EUG复合材料，厚度为4.5mm时在14.91GHz处有反射损耗最小值-43.97dB，有效吸收带宽为1.41GHz，指出石墨烯拥有高比表面积和电导率，在电磁场作用下，高比表面积使得自由电荷大量聚集发生界面极化，高电导率使得材料在石墨烯网络构建完善后电导率增加，两种特性均导致复合材料的介电常数变大。

为了进一步优化石墨烯的吸波性能，通过掺杂杂原子，提供更多的活性位点，增强与磁性颗粒界面稳定性，增大石墨烯表面缺陷，增强了电子在石墨烯上的传输能力，有利于介电损耗，优化吸波性能。Feng等[7]利用水合联氨作为氮源和还原剂，采用一步溶剂热法合成多孔FeNi3/N-GN复合物，通过增加氮掺杂石墨烯的含量，提供更多的活性位点，控制FeNi3纳米晶的形貌。经过调节，在1.45mm匹配厚度下，最小反射损耗达-57.2dB。Wang[8]将CoFe2O4（CFO）纳米粒子嵌入N掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）气凝胶中，采用溶剂热法和冻干技术合成了一种独特的具有三维多孔结构的CFO/N-rGO气凝胶微波吸收，反射率在14.4Ghz处达到−60.4 dB，有效吸收带宽（RL<-10db）可高达6.48GHz（11.44-17.92GHz），具有优良的吸波性能。AKP等[9]利用CuCl2作为掺杂剂，制备的掺杂石墨烯膜材料，其电导率达1.09×107S/m，温阻系数仅为4.31×10-4K-1，热稳定性达400℃，35μm的掺杂石墨烯膜在2-18GHz的平均EMI屏蔽效率为110dB。Chen等[10]通过聚合物衍生的陶瓷路线成功地调整了单源前驱物衍生的具有不同rGO含量的SiBCN还原氧化石墨烯（SiBCN-rGO）陶瓷复合材料，在1300℃下退火的6wt%GO的SiBCN-rGO陶瓷复合材料具有最佳的微波吸收性能，而反射系数最小在10.72GHz时为-62.71dB，薄膜的厚度为2.17 mm。

石墨烯在吸波过程中其片径、导电性、层数、官能团、缺陷和比表面积等参数均会对其吸波效果产生影响，其中片径、层数、导电性和比表面积是石墨烯的固有性质，而缺陷和官能团则是通过各种方式引入石墨烯表面。可通过控制石墨烯制备及对其进行改性和复合，以达到协同增强的效果，解决石墨烯分散性不佳的问题，优化其阻抗匹配，提升吸波性能。

1.4 MXene层状碳吸波材料

MXene材料是一种过渡族金属碳化物或碳氮化物二维纳米材料，由于单一的MXene材料具有高介电常数和导电性，使其具有优秀的电磁屏蔽能力。He等[11]成功制备了超薄MXene纳米片具有优秀的电磁屏蔽性能，在匹配厚度为1mm下，电磁屏蔽值可达到58.1dB。与石墨烯类似，单一的MXene材料介电常数较大，阻抗匹配不佳，因此大多研究人员常将MXene与具有磁损耗的材料复合，从而实现协同增强，提升复合材料吸波性能。Li[12]等设计和优化的静电自组装策略，制备了一种磁化MXene-r GO/Co-Ni薄膜，在合成的复合膜内，用高度分散的Co-Ni纳米颗粒装饰的rGO纳米片被内插到MXene层中，有效地抑制了MXene纳米片初始的自组装，从而降低了高介电常数，在厚度为2.01mm时，最低反射损耗值达到了−54.1dB，厚度为2.00mm时，有效吸收带宽为5.1GHz。诸多研究者通过MXene与石墨烯复合薄膜的界面设计与磁化策略，获得复合层状碳结构，实现增强吸波性能。

2 结束语

目前，碳系吸波材料已经有了大量的研究，并已经具备实际使用的价值，但单组分碳系纳米吸波材料存在易团聚和介磁匹配差等问题，限制了其在电磁波吸收领域的实际应用。按照吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求，碳系吸波材料将朝着纳米化、结构多样化、多元化复合、介磁可调控的方向发展。

进一步研究碳系材料的吸波机制，尤其碳系材料在纳米尺度下的吸波机理。通过对碳材料的吸波机制的不断深入研究，来进一步指导制备、改性和复合工艺的优化。

优化碳系吸波材料的制备工艺，开发新型碳系材料，拓宽碳系吸波材料的研究领域和方向。

合理设计微观结构，探究不同形貌、粒度和结构对吸波性能的影响；优化表面改性和掺杂工艺，解决其团聚和阻抗匹配差的缺点，优化吸波性能。

采用多元化复合方式提高吸波性能，通过调控不同损耗机制的组分，使多种损耗机制协同增强，调控介磁匹配，增强材料的阻抗匹配能力，从而优化吸波性能。