隨著電磁設(shè)備的大量應(yīng)用和5G通訊技術(shù)的快速發(fā)展,，電磁干擾和電磁輻射污染問題日漸突出。電磁輻射不僅影響電子器件的正常工作和使用壽命,，對(duì)人體健康也有危害。此外,，電磁隱身技術(shù)在國(guó)防軍工領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,。因而，新型高性能吸波材料的開發(fā)成為當(dāng)前材料科學(xué)和電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。  

科研人員發(fā)現(xiàn),，電磁波在傳播途中遇到障礙物時(shí)，受障礙物的反射和吸收,，能量會(huì)發(fā)生衰減,。多年來(lái)，人類對(duì)吸波材料研究的熱情不減,，涌現(xiàn)出各式各樣的吸波材料,，但面對(duì)紛繁復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，吸波材料依然供不應(yīng)求,。  

近日,，安徽理工大學(xué)教授疏瑞文團(tuán)隊(duì)基于還原氧化石墨烯（RGO），研發(fā)出一種三維超輕復(fù)合氣凝膠材料,，展現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能,，且密度低、厚度薄,，為輕質(zhì)高性能吸波材料研發(fā)提供了新思路,。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于CompositesScienceandTechnology。  

1,、尋找完美吸波材料  

由于頻率,、波長(zhǎng)、能量的不同,，電磁波對(duì)人體的傷害也不同,。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)能量達(dá)到12eV以上時(shí),，將導(dǎo)致機(jī)體嚴(yán)重的損傷,。因此，人類迫切需要研發(fā)性能優(yōu)異的電磁波吸收劑,，來(lái)消除電磁波的危害,。  

吸波材料很神奇，能夠?qū)㈦姶拍苻D(zhuǎn)換為熱能或其它形式的能量,，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的有效吸收,。它通常由基體材料與吸收介質(zhì)復(fù)合而成，吸收能力,、厚度,、吸收帶寬和密度大小是評(píng)價(jià)吸波材料的吸波性能的重要指標(biāo),。  

國(guó)際上對(duì)吸波材料的研究集中在復(fù)合材料、手性材料,、新型材料幾方面,，其中，復(fù)合材料綜合了多種功能材料的優(yōu)異性能,，是最易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的吸波材料之一,。近年來(lái)，對(duì)同時(shí)具有兩種或兩種以上功能特性的復(fù)合材料的研究正逐漸成為熱點(diǎn),。  

疏瑞文介紹,，多種材料復(fù)合也存在一些弊端，比如材料制備步驟繁雜,、產(chǎn)率較低,、成本較高，同時(shí)材料的密度較高,，應(yīng)用場(chǎng)景受限,。  

RGO是一種二維碳材料，具有低密度,、大比表面積,、高寬厚比和電荷載流子遷移率，已被廣泛應(yīng)用于電磁波吸收領(lǐng)域,。美中不足的是,，單一的微波衰減機(jī)制和較差的阻抗匹配使得RGO的電磁波吸收能力難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。  

“人類尚未在自然界發(fā)現(xiàn)天然的,、完美的吸波材料,，對(duì)展現(xiàn)出吸波潛力的材料進(jìn)行改造是一個(gè)循序漸進(jìn)且漫長(zhǎng)的過程?！笔枞鹞恼f(shuō),。  

2、“反其道而行”制備三維材料  

為了改造RGO,，疏瑞文團(tuán)隊(duì)自2015年就開始了相關(guān)研究,。團(tuán)隊(duì)成員、安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生萬(wàn)宗理介紹,，制備復(fù)合型吸波材料,，一般是將密度低的電損耗型材料與吸收強(qiáng)的磁損耗吸波材料相復(fù)合,，通過調(diào)節(jié)電磁參數(shù)使其趨向阻抗匹配特性,，從而達(dá)到低密度、強(qiáng)吸收和寬頻帶的效果,。  

理論如此,，操作并不容易,。一次偶然的機(jī)會(huì)，疏瑞文注意到,，作為目前世界上密度最小的固體材料,，氣凝膠具有獨(dú)特的三維開放網(wǎng)絡(luò)和高比表面積，這意味著“氣凝膠在吸附,、隔熱保溫,、催化劑載體和儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值”。  

“二維RGO組裝形成的三維氣凝膠會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生怎樣的吸收效果呢,？”這一想法閃現(xiàn)在疏瑞文的腦海,。  

眾所周知，多孔結(jié)構(gòu)不僅可以大大降低堆積密度,，而且可以顯著提高電磁波吸收劑和空氣之間的阻抗匹配程度,。因此，“RGO氣凝膠或基于RGO的復(fù)合氣凝膠將是有希望的輕質(zhì)電磁波吸收劑,?！笔枞鹞恼f(shuō)。  

經(jīng)過水熱法和冷凍干燥處理,，研究團(tuán)隊(duì)制備出超輕氮摻雜還原氧化石墨烯/多壁碳納米管（NRGO/MWCNTs）復(fù)合氣凝膠,。該氣凝膠具有超低的本體密度，且內(nèi)部存在層次孔道結(jié)構(gòu),，優(yōu)化了阻抗匹配,，使得電磁波容易進(jìn)入材料內(nèi)部，在內(nèi)部孔隙組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行能量衰減,。  

疏瑞文表示,，以往為了盡量減小材料的厚度，更希望研發(fā)低維材料,，比如二維材料,，此次，研究團(tuán)隊(duì)反其道而行,，開發(fā)出厚度較薄的三維材料,，且制備環(huán)節(jié)更簡(jiǎn)單?！敖?jīng)過逐步優(yōu)化改進(jìn),，該氣凝膠的厚度有望進(jìn)一步降低，或?qū)⒈榷S材料更輕薄,?！笔枞鹞恼f(shuō)。  

3,、應(yīng)用需解決量產(chǎn)難題  

是什么原因讓NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠擁有吸波“超能力”呢,？二維片狀RGO通過自組裝形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，且褶皺表面均勻地附著大量的一維中空管狀MWCNTs可以產(chǎn)生大量的異質(zhì)界面；大量氮原子通過水熱過程摻雜到RGO晶格中,，增強(qiáng)了偶極極化損耗,。此外，多壁碳納米管的復(fù)合,、長(zhǎng)度和填料含量對(duì)復(fù)合氣凝膠吸波性能也有顯著的影響,。研究發(fā)現(xiàn)，添加長(zhǎng)多壁碳納米管的復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出綜合最優(yōu)的電磁波吸收能力,，在較薄的厚度和低填料含量下具有強(qiáng)吸收和寬頻帶,。  

“構(gòu)造良好的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、良好的阻抗匹配,、增強(qiáng)的極化弛豫和電導(dǎo)損耗可能是復(fù)合氣凝膠具有優(yōu)越的電磁波吸收能力的主要原因,。”疏瑞文說(shuō),，該研究有助于設(shè)計(jì)和制備石墨烯基三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為輕質(zhì)高效的電磁波吸波材料,。  

談及應(yīng)用場(chǎng)景，他表示,，NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠可用于電磁輻射污染防護(hù),、電磁屏蔽、雷達(dá)隱身,、吸附,、隔熱保溫、催化劑載體和儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域,。  

材料研發(fā)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,，該材料距離應(yīng)用還存在一些問題，首當(dāng)其沖的就是產(chǎn)量放大,。目前,，實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)氣凝膠僅限于克級(jí)。此外,，團(tuán)隊(duì)接下來(lái)還將在提升材料綜合性能方面努力,。  

疏瑞文舉例，研究團(tuán)隊(duì)將在NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠中引入一些高分子材料,、纖維材料或改進(jìn)冷凍工藝等,，提高復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能，為其在柔性石墨烯基電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ),。同時(shí),，還將在多功能上下功夫，在超疏水、隔熱防火,、儲(chǔ)能方面進(jìn)行拓展。