(1.安徽理工大學材料學院 安徽 淮南 232000；2.鹽城工學院材料學院 江蘇 鹽城 224051)

石墨烯是2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)的，他們通過高定向熱解石墨中剝離出單層石墨片；石墨烯在電磁場作用下原子外層電子極化弛豫形成電阻型吸波材料，與磁損耗吸波材料和電損耗材料復合能明顯提高材料的電磁波吸收性能，在電磁波吸收領(lǐng)域有較好的應用前景[1-2]。

一、石墨烯及其衍生物的基本性質(zhì)

石墨烯是由單層原子構(gòu)成，具有比表面積大，表面無含氧基團,化學反應惰性,耐高溫且不易氧化的特點，并且具備優(yōu)異的電學特性。氧化石墨烯是石墨烯最重要的衍生物,它保留了原本二維的碳骨架層,并在邊緣連接有羥基、環(huán)氧基、羰基和羧基等含氧官能團。氧化石墨烯相比于石墨烯而言在水溶液或有機溶液中有非常好的分散性,且易與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應。

二、電磁波吸收機理

電磁波吸收材料是指能有效接收入射電磁波,并使其轉(zhuǎn)化成熱能消耗或目標回波強度顯著減弱的一類電磁功能材料。吸波材料性能良好必須具備兩個條件:(1)減少電磁波在材料表面的直接反射,增加透射強度(2)電磁波一旦進入材料內(nèi)部,要實現(xiàn)最大限度衰減和損耗。

三、石墨烯基電磁波吸收材料研究進展

(一)石墨烯基二元復合材料

1.石墨烯/納米碳。碳纖維和石墨烯組合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合材料,吸波性能有較大提升,不同電導率的碳納米微球與石墨烯復合可制備吸波頻率可調(diào)的復合材料，石墨烯/碳納米管復合材料中，碳納米管的中空結(jié)構(gòu)增加了電磁波的耗散途徑,增強了界面極化效應，增加介電損耗途徑,有效提高電磁波損耗能力。

2.石墨烯/納米金屬及其化合物。納米金屬是良好的吸波材料,具有寬頻帶和兼容性好等特點。磁性金屬微粉是一類非常重要的納米金屬電磁波吸收劑,石墨烯的大比表面積有利于改善材料間的相互接觸,提供良好的電子傳輸通道,其與金屬納米材料復合可增強界面極化強度,從而提高高頻介電損耗,增強吸波效果。林帥[3]通過化學電鍍法在石墨烯表面負載一層大小約為50 nm的Co納米顆粒，當匹配厚度為2.5mm時，復合材料在11.5GHz最大損耗達到-13dB，當匹配厚度為2mm時有效吸波頻寬為5GHz，鍍鈷的石墨烯吸波性能有明顯的提高。

3.石墨烯/鐵氧體復合材料。鐵氧體屬于雙復介電材料,既有亞鐵磁性又有介電特性。將鐵氧體與石墨烯復合可以發(fā)揮各自優(yōu)點,通過多種損耗途徑吸收電磁波,達到密度小且高效吸收的效果。隋宏超[4]采用Hummers法制備氧化石墨烯，在此基礎上通過水熱法和溶膠凝膠法制備氧化石墨烯/鈷(鎳)鋅鐵氧體復合吸波材料，通過電磁性能分析在8.2～12.4GHz的頻率范圍內(nèi)，復合吸波材料的電損耗角正切值大于1，磁損耗角正切值大于0.15，具有較好的吸波性能。

4.石墨烯/導電聚合物復合材料。利用石墨烯修飾導電聚合物,可以有效改善產(chǎn)物阻抗匹配性,降低層厚度,使電導率可調(diào),從而達到最優(yōu)吸波效果。常見制備石墨烯-導電聚合物納米復合材料的基體包括:聚吡咯、丙烯腈丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。程祥珍等[5]通過原位氧化聚合法制備聚苯胺-石墨烯納米復合材料，聚苯胺呈納米棒狀結(jié)構(gòu)相互纏繞并鑲嵌在石墨烯表面；當匹配厚度為2mm時，最大反射損耗在15.8GHz處達到-28.6dB，有效頻寬達到4.3GHz。

(二)石墨烯基三元復合材料

相較石墨烯基二元復合材料,三元組分復合可進一步改善產(chǎn)物阻抗匹配性,提升電磁波損耗能力。目前,三元復合材料主要以介電損耗和磁損耗協(xié)同消耗機理為主。Zhang[6]通過三步法合成RGO/ PANI/ BNSF納米復合材料,優(yōu)異的損耗機制以及介電損耗與磁損耗之間的協(xié)同效應使其具有優(yōu)異的微波吸收性能,當匹配厚度為2.9mm時，最小反射損耗在13.68GHz達到-50.5dB，有效吸收帶為6.8GHz。

四、吸波性能的影響因素

純石墨烯材料多采用化學氧化還原法制備,大量存在的缺陷及殘留的含氧基團不僅可以改善石墨烯的阻抗匹配性,還可以有效提高其吸波性能，下面分別從三個方面對石墨烯基電磁波吸收材料吸波性能的影響因素進行分析。

(一)損耗機制。純石墨烯是介電損耗型吸波材料,而將其他物質(zhì)與石墨烯復合可進一步提升產(chǎn)物電磁波損耗能力,這主要得益于多元組分間良好的阻抗匹配性及介電損耗和磁損耗的協(xié)同消耗機理。

(二)組分數(shù)量。三元/多元石墨烯基電磁波損耗材料的電磁波損耗能力整體優(yōu)于二元復合材料,這是由于多層材料各組分間良好的阻抗匹配性,增強的界面/層間極化效應、介電損耗和磁損耗相互協(xié)同效應及粒子間的空隙對電磁波的折/反射效應疊加所致。

(三)結(jié)構(gòu)。無論是改變反應條件,還是各組分結(jié)合狀態(tài),都會促使產(chǎn)物形貌及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn),形貌和結(jié)構(gòu)的差異對復合材料電磁波損耗能力影響很大。通過調(diào)控產(chǎn)物形貌及結(jié)構(gòu),改變阻抗匹配性,增加界面及層間極化作用,可以提高復合材料吸波性能。

五、結(jié)束語

目前的研究已經(jīng)證明了石墨烯以其獨特的性能對提高材料電磁波損耗能力等方面有著巨大的應用潛力，但純石墨烯材料作為介電損耗型吸波劑,對電磁波損耗效果欠佳,在以下幾個研究方向仍存在一些挑戰(zhàn):(1)多組分石墨烯基電磁波損耗材料吸波機理研究;(2)三維復合結(jié)構(gòu)石墨烯基電磁波損耗材料研究;(3)石墨烯基電磁波損耗材料功能與結(jié)構(gòu)一體化設計研究。

為了進一步提升石墨烯基吸波材料的吸波性能,盡快在相關(guān)領(lǐng)域開展應用。必須開發(fā)規(guī)?；⒘慨a(chǎn)化的石墨烯制備技術(shù)和復合工藝,提高石墨烯質(zhì)量。在減重和增效基礎上實現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)一體化設計目標,這不僅會推動軍事隱形材料的發(fā)展,還會在防護電磁波輻射等民用方面發(fā)揮重要作用。