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        電磁波吸收用石墨烯基納米材料發(fā)展現(xiàn)狀分析

        2015-04-29 00:00:00丁一郭惠靜廖慶亮張躍
        新材料產(chǎn)業(yè) 2015年11期

        目前,國內(nèi)外傳統(tǒng)的隱身涂料仍以強吸收為主要目標,存在大量突出問題有待解決。新型吸波材料要求滿足“薄、輕、寬、強”,則需要加強基礎研究,明確其吸收機理,探索提高吸收性能的有效途徑,同時盡快開展應用,積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,充分發(fā)揮其各自的獨特優(yōu)勢,盡快走向?qū)嵱没?。未來吸波材料應滿足多頻譜隱身、環(huán)境自適應、耐高溫、耐海洋氣候、抗核輻射等更高要求,以適應日趨惡劣的未來戰(zhàn)場。

        納米吸波材料是指組成材料的成分尺寸在1~100nm之間的吸波材料,它的機理是微波場的作用,加快了納米材料中粒子的運動速度,從而使材料被磁化,發(fā)生能量的轉(zhuǎn)變(電磁能轉(zhuǎn)化為熱能),起到較弱或者消除電磁波的效果。常見的納米吸波材料有碳型吸波材料、金屬納米吸波材料等,但是單一的納米吸波材料的應用受到了限制,已有研究表明將幾種物質(zhì)進行復合而成的納米吸波材料,其吸波性能得到很大的提升。

        鈷鐵氧體磁性納米顆粒具有獨特的磁性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學性質(zhì),可以廣泛應用在磁記錄介質(zhì)、顏料、磁傳感器等領域。復數(shù)磁導率μ是微波吸收劑重要的影響因素,由于鈷鐵氧體磁性納米顆粒在4.0~8.0GHz和12~18GHz頻率范圍內(nèi)保持很高的μ值,因而可以作為一種微波吸收劑使用。石墨烯具有優(yōu)異的熱學和電學性能,將其與鈷鐵氧體磁性納米粒子復合,制備石墨烯基磁性納米顆粒復合材料。這種材料電磁波的損耗性能得以提升,具有磁損耗和介電損耗特性,而且所制備的材料質(zhì)量較輕、吸波能力強,在微波吸收領域具有非常好的發(fā)展趨勢[1]。

        現(xiàn)有相關方面的研究指出,可通過氣相擴散法、水熱法等方式制備出CoFe2O4/石墨烯復合材料,通過性能測試材料具有良好的吸波性能,但是沒有研究系統(tǒng)性說明鈷的摻雜量對鈷鐵氧體/石墨烯納米復合吸波性能的影響。

        一、電磁波吸收材料簡介

        21世紀以來,科學技術迅猛發(fā)展,電子設備的廣泛應用給人類生活帶來很大的便捷,但同時也帶來了新的污染。不同頻率的電磁波充斥著人們的生活,無論是軍事上,還是民用上,都造成了一定的影響。因此,電磁波吸收材料的開發(fā)和研究顯得尤為重要。

        在軍事領域,提高武器的突擊能力、防御能力和生存能力成為了各大國軍事競賽的熱點。吸波材料主要應用于隱身技術方面,其目的是盡可能減弱雷達、紅外等探測系統(tǒng)對目標的影響。雷達吸波材料是隱身材料中不可缺少的一部分,通過吸收雷達發(fā)出的電磁波,達到降低目標的反射強度和減小雷達的散射截面,進而實現(xiàn)隱身的效果。實現(xiàn)隱身主要有2個途徑[2]:一是通過對飛機、艦船艦艇等武器裝備的外觀進行改造,減小了雷達對目標獲取得到的有效面積;二是應用吸波材料吸收雷達發(fā)出的電磁波。發(fā)展隱身技術已成為各國發(fā)展國防高科技事業(yè)和在戰(zhàn)爭中獲得優(yōu)先權的重要手段,因此,研究和開發(fā)高性能、多頻段的雷達吸波材料成為各國軍事技術領域中的一個重大課題。

        在人類生活方面,手機、電腦等電子設備的使用對人體造成很大的危害。已有研究發(fā)現(xiàn),當人們在使用手機時,頂部的天線會發(fā)射出高頻的電磁波,人體頭部受到這種輻射,會導致腦神經(jīng)損傷及血液突然改變流動方向,長期下去會對人體大腦造成嚴重傷害。因此,將吸波材料應用在人們?nèi)粘I钪袑θ祟惖慕】涤泻艽蟮谋U稀?/p>

        吸波材料是指能將投射它表面的電磁波能量進行吸收或減弱,并通過材料的介質(zhì)損耗或磁損耗等方式將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或者其他的形式。吸波材料主要通過電損耗和磁損耗來表征材料對電磁波的吸收,電磁參數(shù)ε(ε’、ε\")、μ(μ’、μ\"),是表征其電磁屬性的重要參數(shù)。通過設計和改變材料的電磁參數(shù)可以更好的吸收到達材料表面的電磁波。在電磁波吸收材料的設計時,一般要注意2點:①要考慮阻抗匹配問題,使通過界面進入吸波體內(nèi)的電磁波盡可能多的進入吸波材料內(nèi)部,從而減少反射;②考慮對已進入介質(zhì)的電磁波的吸收,避免電磁波被再次返回。只有綜合考慮材料的電磁參數(shù),才能獲得更好的吸波性能。

        電磁波吸收材料的種類主要分為電阻性吸波劑、電介質(zhì)型吸波劑、磁介質(zhì)型吸波劑,以及其他新型吸波劑材料。

        1.電阻型吸波劑

        電阻型吸波劑主要依靠介質(zhì)的離子極化、電子極化和界面極化來吸收或者衰減電磁波,使電磁波的能量轉(zhuǎn)換為其他形式,常見的電阻型吸波劑主要有導電炭黑和石墨,碳纖維吸收劑,碳化硅吸收劑等。

        ①導電炭黑和石墨

        已有研究表明,在吸波材料中加入炭黑,可以提高材料的介電常數(shù),從而改善材料的吸波效果,另外,炭黑的加入,可以減小吸波層與自由空間的阻抗差值,使得吸波材料具有良好的阻抗匹配系數(shù),減輕吸波體的質(zhì)量。石墨在早期就被用作吸波材料,廣泛應用在雷達隱身材料中。此外,將石墨與導電炭黑和高分子材料進行復合,可以提升復合材料的電導率,從而提升材料的吸波效果。

        ②碳纖維吸收劑

        碳纖維的質(zhì)量輕、強度高,在結(jié)構隱身材料中廣泛應用,由于其優(yōu)異的性能,在軍事設備方面發(fā)揮著重要的作用。碳纖維具有良好的導電性,與金屬不同的是,碳纖維通過離子進行導電。當電磁波進入碳纖維中,由于頻率的變化形成趨膚效應產(chǎn)生電磁損耗,造成電磁波的衰減,而且在碳纖維之間傳播時,部分電磁波經(jīng)散射后反射波與入射波發(fā)生相互抵消現(xiàn)象,從而減少電磁波的反射。

        ③碳化硅吸波劑

        碳化硅不僅具有化學性能穩(wěn)定、耐高溫、耐磨性好、密度小等優(yōu)異性能,而且具有良好的吸波性能,對紅外信號有一定的削弱作用,在多層吸波體中既可用作透波層,也可用作損耗層。利用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的碳化硅纖維具有優(yōu)異的耐高溫性能,可在1 000℃上使用,它與基體的相容性較好,而且在高頻段的吸波性能比較優(yōu)異。雖然碳化硅纖維優(yōu)點較多,但是其吸波效率低限制了它的廣泛應用,可以通過摻雜處理或者作為金屬基、陶瓷基和樹脂基復合材料的增強纖維,從而提升其吸波性能。

        2.電介質(zhì)型吸波劑

        空間電荷極化、取向極化、離子極化及電子極化均存在介電馳豫現(xiàn)象,電介質(zhì)型吸波劑主要通過弛豫損耗來吸收電磁波,主要以鈦酸鋇鐵電陶瓷等為代表。電介質(zhì)型吸波劑主要有氮化硅和氮化鐵等。

        氮化硅是一種高強度的結(jié)構陶瓷材料,具有耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、化學穩(wěn)定性好等特征。由于懸掛鍵的存在形成電偶極矩,從而產(chǎn)生的界面極化,進而導致納米氮化硅在高頻電磁波范圍內(nèi)有很大的介電損耗,起到吸收電磁波的效果。納米氮化鐵可作為催化劑使用,膠體納米氮化鐵溶液可用于制備磁流體,具有很高的飽和磁感應強度和飽和磁流密度,納米氮化鐵在納米雷達波吸收劑領域具有很好的發(fā)展前景。

        3.磁介質(zhì)型吸波劑

        ①鐵氧體

        鐵氧體屬于非金屬磁性材料,是由氧化鐵加氧化錳、氧化鎂、氧化鋅、氧化鎳中的一種或者幾種構成的,就其導電性而言,它屬于半導體。由于它具有鐵磁性,常作為磁性介質(zhì)加以使用。鐵氧體材料對電磁波的損耗有介電損耗和磁損耗2部分,磁損耗分為磁滯損耗、剩余損耗和渦流損耗,介電損耗主要來自極化效應。傳統(tǒng)的鐵氧體吸波材料的密度大、溫度穩(wěn)定性較差,限制其在隱身材料領域中的使用。將鐵氧體與密度低、有一定吸波性能的材料進行復合,不僅減少了吸波材料的質(zhì)量,還可以拓寬其吸波頻帶,提升吸波性能。

        ②超細金屬粉

        金屬超細粉是指粒度在10μm甚至1μm以下的金屬粉末,可以用合成法和粉碎法制備超細粉。它主要通過磁滯損耗和渦流損耗等來吸收、衰減電磁波,一方面由于粒子細化使得組成粒子的原子數(shù)減少,從而提高原子的活性,分子和電子在微波的輻射下劇烈運動,發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換;另一方面,由于金屬超細粉具有較大的磁導率,與高頻電磁波發(fā)生強烈作用從而造成磁損耗,所以,超細金屬粉具有高效的吸波性能。

        4.新型吸波劑

        ①納米隱身材料

        納米材料是指其顆粒有一個或者多個的三維尺寸在1~100nm范圍內(nèi),顆粒數(shù)占整個材料的一半以上的材料。由于它具有特殊的結(jié)構,在電磁學、光學等方面有廣泛的應用。如今國內(nèi)外納米吸波材料主要分為納米氧化物、納米金屬與合金、納米陶瓷等吸波材料。

        ②手性吸波劑

        手性材料是具有雙各向同性(或各向異性)的功能材料,其電場和磁場可以相互耦合。相比一般的吸波材料,手性吸波劑的吸波頻率高,吸波頻帶寬,具有良好的吸波性能。手性材料具有手性參數(shù),通過調(diào)整手性參數(shù),可以使材料無反射,大大提升材料的吸波性能。手性材料的根本特點是電磁場的交叉變化,能引起材料的電極化。

        ③多晶鐵纖維

        多晶鐵纖維是一種新型的微波材料吸收劑,電磁波損耗機制主要為介電損耗和磁損耗,磁損耗包括渦流損耗和磁滯損耗。多晶鐵纖維的導電性良好,纖維內(nèi)的自由電子在交變電場的作用下劇烈震動,產(chǎn)生振蕩電流,發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換,從而起到吸收電磁波的作用。另外,由于多晶鐵纖維呈層狀取向排列,具有各向異性,可實現(xiàn)寬頻帶吸收,提升吸波性能。

        二、納米吸波材料

        納米吸波材料是指由納米材料組成的吸波材料。材料的成分尺寸在1~100nm之間的吸波材料,主要由“顆粒組元”和“界面組元”組成。在微波輻射下,納米粒子通過高速運動使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能從而吸收衰減電磁波[3]。納米吸波材料具有“寬、強、輕、薄”的特點,是一種具有發(fā)展前景的吸波材料。

        納米吸波材料不僅廣泛應用于隱身飛機(如圖1所示)、坦克軍事設備上,從而降低其被探測和摧毀的概率,提高目標的生存能力;而且納米吸波材料也廣泛用于生活中,如各種車輛的擋風玻璃及一些公共場所的門窗上[4]。

        吸波材料從原理上可以分為電阻型、電介質(zhì)型、磁介質(zhì)型3類:電阻型吸波材料主要依靠介質(zhì)的離子極化、界面極化和電子極化來吸收或者衰減電磁波,使電磁波的能量轉(zhuǎn)換為其他形式,常見的電阻型吸波劑主要有導電炭黑和石墨、碳化硅吸收劑和碳纖維吸收劑等。電介質(zhì)型吸波劑主要通過介電損耗和極化弛豫損耗來吸收電磁波,如石墨烯。磁損耗型吸波材料主要通過磁滯損耗來吸收和衰減電磁波。納米吸波材料,一方面由于顆粒表面原子比例高,產(chǎn)生界面極化,由于比表面積造成多重散射,這是材料具有良好吸波性能的主要原因;另一方面,納米粒子具有的量子尺寸效應使得粒子的電子能級分裂,并且分裂的能級間隔正好與微波的能量范圍相對應,這為納米材料吸波性能的提升開辟了新的通道。

        納米材料的吸收機制一般分為電損耗型和磁損耗型,相比于一般的粒子,納米材料表面原子比例高,懸掛的化學鍵多,導致產(chǎn)生界面極化,納米粒子的比表面積增大,導致發(fā)生多重散射;由于量子尺寸效應,產(chǎn)生能極分化,金屬粒子費米面附近電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級,相鄰能級之間的能量間隔正好處于微波能量范圍之內(nèi)。同時,由于共振吸收,具有磁性的納米粒子吸收衰減電磁波。另外,當納米粒子的尺寸與微波的波長或者磁場穿透深度相等或更小時,導致破壞了晶體周期性邊界條件,納米材料的性能發(fā)生變化,從而使研制多波段兼容的電磁波吸收材料成為可能。關于磁損耗,由于納米磁性粒子的矯頑力比較大,可以產(chǎn)生很大的磁滯損耗。

        如今單一的納米吸波材料難以達到多波段、寬頻帶的吸波效果,因此納米復合吸波材料是納米吸波材料的研究重點,如將鐵氧體中摻雜鈷(Co)、鋅(Zn)、錳(Mn)等元素制備的納米復合吸波材料可以顯著提升吸波性能。

        1.鐵氧體材料的簡介

        納米金屬和氧化物是一種重要的吸波材料,開發(fā)具有較大磁損耗和高磁導率的磁性納米材料是吸波材料的主要發(fā)展方向。其中含有α-Fe2O3,γ-Fe2O3和Fe3O4的鐵基微結(jié)構或納米結(jié)構材料,由于具有高的磁化強度和磁各向異性,在一定的頻率范圍內(nèi)(毫米波,2~18GHz)很好的電磁波吸收效果。α-Fe2O3屬于N型半導體材料(帶隙寬為2.2ev),作為常溫下最穩(wěn)定的鐵系氧化物,α-Fe2O3具有價格低廉、無毒、耐腐蝕等優(yōu)點,由于其良好的特性,已被廣泛用于催化、濾光、磁性材料、涂料和功能陶瓷等領域。鐵氧體作為吸波材料的應用也逐漸得到發(fā)展,將鐵氧體制備的吸波涂層應用到隱形戰(zhàn)斗機上,并且向著頻帶寬、厚度薄、密度小的方向發(fā)展。

        制備鐵氧體方式有多種,主要有水熱法、固相化學法、模板法和化學氣相沉積法,不同的合成方式得到不同形貌的納米結(jié)構。由于水熱法設備簡單、步驟簡便、操作方便和產(chǎn)物結(jié)構可控性好等優(yōu)點,應用最廣泛。

        北京師范大學Sun等人通過納米樹突結(jié)構的α-Fe2O3制備了具有相同結(jié)構的γ-Fe2O3,F(xiàn)e3O4以及Fe對材料進行電磁特性和微波吸收性能測試,結(jié)果表明所制備的材料均屬于典型的鐵磁體,F(xiàn)e通過介電損耗特性吸收電磁波,γ-Fe2O3和Fe3O4通過介電損耗和磁損耗來吸收電磁波,并且3種材料均具有優(yōu)異的微波吸收能力[5]。

        2.石墨烯基復合吸波材料

        自2004年石墨烯的制備研究成功,石墨烯已經(jīng)成為物理、化學、材料學領域的研究熱點,圖2為石墨烯的結(jié)構示意圖和SEM照片。還原石墨烯氧化物具有特殊的性質(zhì),因而它是一個極具潛力的微波吸收材料,但是由于石墨烯吸波機制比較單一,吸波性能的利用受到限制,現(xiàn)在一些研究表明在石墨烯中添加其他吸波材料制備以石墨烯為基體的復合吸波材料具有更加優(yōu)異的性能,從而實現(xiàn)吸波材料“薄、寬、輕、強”的總目標。

        鐵氧體是一種既具有磁性又具有一定的介電性能的材料,吸波性能優(yōu)越,但是密度大、高溫特性差的缺點大大限制了鐵氧體的應用領域,將鐵氧體與密度小的石墨烯合成的復合吸波材料兼具多種損耗特性(如磁損耗和電損耗),并且性能得到很大的提升。

        Ren等通過水熱法制備了3D石墨烯與γ-Fe2O3復合吸波材料,磁性納米材料整齊的排列在石墨烯的表面,復合材料在最小的反射率低于-15.2dB,對應的厚度是2mm,當厚度為4.92mm時,反射率能達到-64.1dB。圖3所示為復合材料的反射損耗圖[6]。

        制備石墨烯/鐵氧體復合材料簡單的方式是水熱法,Xu等通過簡易溶劑熱法合成了一種新型Fe3O4納米碗狀中空球-還原氧化石墨烯(RGO)復合材料,在吸波寬度和強度上均表現(xiàn)出更為優(yōu)異的吸波性能。

        Kong等通過溶劑熱法合成RGO納米薄片進行表面修飾的γ-Fe2O3納米膠體簇(如圖4所示)。因為獨特的微觀結(jié)構,獲得的二維復合材料展現(xiàn)出低的反射率和寬的有效吸波頻段。此外納米膠體簇有很多的界面,界面弛豫和還原氧化石墨烯的電導損耗在電磁波吸收方面扮演重要角色。復合材料在10.09GHz處有最小的反射率-59.65dB,對應的厚度是2.5mm[7]。

        Avanish Pratap Singh等以酚醛樹脂為粘結(jié)劑,通過壓縮成型地方法制備出含有RGO、γ-Fe2O3、碳纖維的三元復合材料,該復合材料在X波段(8.2~12.4GHz)有著優(yōu)越的電磁屏蔽性能(如圖5所示)。研究表明,復合材料的電磁屏蔽性能主要取決于介電損耗與還原氧化石墨烯中的γ-Fe2O3含量,最佳屏蔽值達-45.26dB[8]。

        Ren等首次展示了由石墨烯、Fe3O4@Fe核殼納米顆粒、ZnO納米顆粒成功合成的四元納米復合材料(如圖6所示)。透射電鏡測試表明Fe3O4@Fe的核殼納米顆粒的直徑約為18nm,F(xiàn)e3O4殼的厚度約5nm,ZnO納米顆粒的直徑在2~10nm之間。計算得到的反射損耗RL<-20dB的吸收帶寬達到7.3GHz,在測試的頻帶范圍內(nèi)超過99%的電磁波能量發(fā)生衰減。而添加的納米復合材料僅有20%(質(zhì)量分數(shù))[9]。

        鈷鐵氧體磁性納米顆粒具有獨特的物理、化學特性、催化特性和磁特性,可以廣泛地應用在磁記錄介質(zhì)、顏料、磁傳感器等領域。由于鈷鐵氧體磁性納米顆粒在微波頻率階段保持很高的復數(shù)磁導率,因而可以作為一種微波吸收劑使用。

        相比鈷鐵氧體納米材料和純石墨烯材料來說,石墨烯/鈷鐵氧體具有更為顯著的吸波性能。Fu等通過氣相法制備了CoFe2O4/石墨烯復合材料,在12.9GHz,2.0mm厚度處有最大反射損失-18.5dB,具有良好的吸波性能[10]。

        Zong等通過水熱法制備了RGO/ CoFe2O4復合材料,避免了化學還原劑的使用,制備工藝和性能檢測,在12.4GHz、2.3mm厚度處最大反射損失-47.9dB,有效頻寬(低于-10dB)為5GHz(從12.4~17.4GHz),同時具有磁損耗和電損耗,吸波性能得到了良好的提升。[11]

        吳小雨等通過原位共沉淀法即Co2+/Fe2+均勻共沉淀在氧化石墨表面的同時氧化石墨烯被定位熱還原,制備出CoFe2O4-石墨烯納米復合材料。所制備的復合材料同時表現(xiàn)出介電損耗和磁損耗,具有良好的吸波性能,當厚度為2mm時反射損耗分別為-11.0dB和-12.4dB[12]。

        3D石墨烯是具有三維結(jié)構組成的石墨烯材料。3D石墨烯在具有石墨烯的優(yōu)異物理性能的同時又在結(jié)構上表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應用于各種器件的研究,比如儲能材料、鋰電池、光學催化劑、化學傳感器和柔性電子元件等。

        3D石墨烯在為吸波材料的使用上具有較好的性能,在與其他納米材料如,鐵氧體、鈷氧體、氧化鋅等納米材料復合后,吸波性能明顯提高。

        上海交通大學Liu Weiwei等用GO,PVA(聚醋酸乙烯酯)通過熱還原法制備了3D石墨烯結(jié)構的熱能降低石墨烯網(wǎng)絡并于石蠟復合(如圖7所示)。掃面電鏡表明材料圍觀組織結(jié)構為3D結(jié)構,測試了其不同吸波劑添加量和不同厚度的TRGN/wax材料的吸波性能。最終得到吸波劑添加量為1%,厚度為3.5mm的吸波涂層其性能為-43.5dB,反射損耗RL<-10dB的吸收頻帶寬度達到7.47GHz,在測試范圍內(nèi)超過90%的電磁波能量發(fā)生衰減。

        Wu Fan等用3D還原氧化石墨烯與有機溶劑通過自組裝過程制備了3D還原氧化石墨烯/乙烯二氧噻吩(3D-RGO/PEDOT)納米復合材料。方法簡單,得到的材料具有3D空間結(jié)構。在添加量為10%、涂層厚度為2.0 mm時,其吸波性能在13.5GHz處具有-35.5dB,在吸波損耗RL<10dB的吸波頻帶寬度為5GHz。

        Wu Fan等將氧化石墨烯和氧化鋅納米顆粒用水熱法使氧化鋅附著在3D還原氧化石的表面,制備了3D還原氧化石墨烯(3D-RGO)/氧化鋅(ZnO)復合材料,然后通過紫外光照射增強復合材料的電磁波吸收性能(如圖8所示)。通過掃描電鏡可以看到氧化鋅均勻附著在3D石墨烯的表面,整體形成空間結(jié)構。紫外催化后,3D-RGO/ZnO材料的吸波損耗性能明顯增加,同時在吸波損耗RL<10 dB的吸波頻帶寬度也隨之增加。

        ZnO為纖鋅礦晶體結(jié)構,密度為5.67g/cm3,晶格常數(shù)a=3.2496,c=5.2065。ZnO結(jié)構可以簡單地描述為:由無數(shù)層密排的O2-和Zn2+面按照c軸的方向交替疊加形成的,相鄰兩層的O2-和Zn2+形成四面體結(jié)構

        T-ZnO于20世紀40年代被發(fā)現(xiàn),因表觀密度低、耐溫性能好、熱膨脹率小、力學性能優(yōu)良等優(yōu)點使它在各個領域都有著廣闊應用前景。高產(chǎn)率、高品質(zhì)的納米級四針狀氧化鋅晶須由張躍小組首先成功制備和表征,制備方法是通過金屬鋅粉蒸發(fā)沉積,制備溫度為850~925℃。后來黃運華、賀建等人通過對原制備工藝進行優(yōu)化,著重對氣氛及溫度進行有效控制和調(diào)節(jié),在新的制備條件下,成功合成了四針狀氧化鋅納米材料。

        欽輝等以T-ZnO和導電炭黑(CB)為吸收劑,環(huán)氧樹脂(EP)為粘結(jié)劑,制備了T-ZnO-CB/EP復合涂層,利用掃描電子顯微鏡對2種吸收材料以及復合涂層的截面進行了觀察。然后分別研究了不同的質(zhì)量配比、涂層厚度對復合涂層電磁波吸收性能的影響。當涂層厚度為3mm,吸收劑 B:T-ZnO:EP的質(zhì)量配比為7:10:83,固化劑為乙二胺,不添加硅烷偶聯(lián)劑時,制備了電磁吸波性能最佳的復合涂層。其反射率峰值在10.4Ghz處達到了-19.3dB,反射率小于-10dB的頻帶寬度達到了5.76Ghz。此外又研究了T-ZnO-CB/石蠟的電磁特性,對質(zhì)量配比和厚度對復合物電磁波吸收性能的影響進行了理論計算,研究結(jié)果表明理論計算得到的規(guī)律與實驗是一致的。

        Liu等以CNT和T-ZnO作為吸收劑,通過簡單地機械混合的方法制備CNTs/T-ZnO復合材料,研究了不同CNTs與T-ZnO的質(zhì)量分數(shù)對電磁參數(shù)與微波吸收性能的影響,改善了CNTs/T-ZnO復合材料的電磁波吸收性能。研究發(fā)現(xiàn)4%(質(zhì)量分數(shù))CNTs與10%(質(zhì)量分數(shù))T-ZnO進行混合有最佳的電磁波吸收性能。當厚度為2.0mm,最小反射損耗達-37.03dB,對應的頻率是12.24 GHz,小于-10dB的頻段寬度大于4.04GHz。CNTs/T-ZnO復合材料與單一的CNTs或T-ZnO相比,不僅能大幅減少吸收劑的質(zhì)量分數(shù),更能提升電磁波吸收性能。

        李會峰等在無催化劑的情況下將金屬鋅與石墨粉末直接置于氬氣(Ar)與氧氣(O2)的混合氣氛在910℃下蒸發(fā)合成三維ZnO網(wǎng)狀微/納米棒。利用FIB、TEM與XRD對三維ZnO網(wǎng)狀微/納米棒進行表征,發(fā)現(xiàn)每個分枝都具有非常規(guī)則的方向,納米棒的生長方向是[0001]。通過復介電常數(shù)與復磁導率對微波性能進行計算,對三維ZnO網(wǎng)狀微/納米棒的電磁波吸收性能進行詳細地研究。當ZnO的體積分數(shù)為50%、厚度為4.0mm、三維ZnO網(wǎng)狀微/納米棒在6.2GHz處有最小反射率-37dB。

        周祚萬等以四針狀T-ZnO為吸收劑為制備了一種高效涂層,并初步研究了其在Ku波段的吸收特性。研究了其T-ZnO針狀體的長徑比對吸波效率的影響,控制ZnO四針狀體平均長徑比為30~50,在13.50~17.50 GHz的頻率范圍內(nèi)可獲得最佳效果。

        三、納米吸波復合材料的發(fā)展趨勢

        隨著對吸波材料的要求的提升,納米吸波材料得到廣泛的應用。單一的納米吸波材料由于損耗機制比較單一,難以滿足吸波材料“薄、輕、寬、強”的要求,因此需要改進,根據(jù)各種具體的要求將不同的納米材料進行復合。在開發(fā)新型納米吸波材料時,要探求吸收機制,摸索提高吸波性能的有效途徑,綜合各種材料獨特性質(zhì),使吸波材料更加具有普遍性,為廣大群眾所利用。未來的吸波材料不僅追求吸波強度高,更追求寬頻帶,而且要有耐高溫、抗震動、抗核輻射、耐腐蝕等良好的性能,適應各種惡劣的環(huán)境。如今吸波材料主要運用在雷達方面,其中多頻譜隱身材料和智能型隱身材料是雷達吸波材料的重點研究方向。雷達發(fā)射的電磁波在2~18GHz范圍內(nèi),現(xiàn)已制備的吸波材料可以充分吸收這種厘米波,但是,很多米波和毫米波雷達技術的發(fā)明,對吸波材料提出更高的要求,要求吸波材料能夠兼容米波、厘米波、紅外、激光等多頻率電磁波的隱身材料。隨著科技的進步,吸波材料也要隨著更新,單一頻段的吸波材料將會逐漸被淘汰,在未來的局勢領域,多功能、多波段的隱身材料的發(fā)展將會蒸蒸日上,實現(xiàn)多個波段的吸波材料的一體化設計。

        關于石墨烯基復合吸波材料的發(fā)展,現(xiàn)如今已經(jīng)取得較大的成果,但是技術還不是很成熟,今后的發(fā)展中應注重對吸波機理進行深入研究。例如,不同材料的吸波機理不相同,根據(jù)機理對材料的復合方法進行改進,將多種材料進行復合提升吸波效果;根據(jù)機理研究石墨烯與復合材料中其他成分之間的相互作用,幾種成分之間吸波作用相互促進,從而制備出滿足要求的新型石墨烯基復合材料。

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