为什么要用石墨烯制作吸波材料?

作者:磁晶吸波材料来源:www.magtronics.com.cn日期:2019-7-16 13:03:18人气:175
        关于电磁波污染:
        电磁波被认为是继水污染、噪音污染、空气污染后的第四大公害,因此,如何解决电磁污染是新时代要解决的重要课题,所以,电磁屏蔽吸波材料的研究开发一直备受世界各国学术界和工业界的广泛关注。据了解,传统的电磁屏蔽吸波材料主要包括金属和高分子复合材料,存在密度大、结构设计困难等问题,并且应用受到限制。作为大比表面的碳材料—石墨烯具有良好的电磁屏蔽吸波性能。 
        最新成果:
        中科院宁波所今天在科学时报发表文章,称开发出性能卓越的石墨烯电磁屏蔽吸波材料。中科院研究人员在石墨烯表面原位合成了纳米四氧化三铁,成功制备了电磁屏蔽性能更为优异的聚酰亚胺微发泡电磁屏蔽材料,比电磁屏蔽效能由36.4dB/(g/cm3)增加至41.5dB/(g/cm3),并实现吸收而不是反射电磁波,再次降低了电磁波对环境的二次污染。该材料可以用于雷达透波材料、手机电子支付吸波材料、吸波贴片、隐身结构功能一体化材料等多个新材料领域。
        关于石墨烯:
        石墨烯是单层碳原子紧密堆积而形成的一种超薄碳质新材料,厚度只有0.335nm,是目前世界上最薄的二维材料。自2004 年英国曼彻斯特大学的物理学教授A. Geim 和K. Novoselov 等用机械剥离方法观测到单层石墨烯,其独特的物理性能和在电子领域的潜在应用成为国际研究的热点,并引起科学界新一轮“碳”热潮。
        碳材料是电磁屏蔽和吸波材料研究的重要内容,对于石墨、碳纤维、碳纳米管等材料的电磁屏蔽和吸收性能的研究已经相当广泛。然而,作为一种新型碳材料的石墨烯具有纵横比、电导率和热导率高、比表面积大、密度低等特点,其本征强度高达130 GPa,常温下的电子迁移率可达到15 000 cm2/(V · s),是目前电阻率最小的材料。并且石墨烯具有室温量子霍尔效应和良好的铁磁性,与石墨、碳纤维、碳纳米管等材料相比,拥有独特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限,成为一种新型有效的电磁屏蔽和微波吸收材料。
        石墨烯复合电磁屏蔽材料在电磁波吸收领域中的应用:
        随着无线电探测技术和探测手段的发展以及其它非可见光探测技术和各种反伪装技术的逐渐完善和应用,传统武器装备的生存受到严峻的挑战。因此,研制高效吸收雷达波的轻型材料是提高武器装备系统生存能力的有效途径之一,是现代战争中最具有价值、最有效的战术突防手段。可见,高性能轻型微波吸收材料研制及在武器装备中的应用至关重要。

        二维片状的石墨烯具有高的比表面积(2 630 m2/g)以及特异的热、电传导功能,对微波能产生较强的电损耗。与传统吸收剂相比,石墨烯材料以其优异的电磁性能成为一种有效的新型微波吸收材料。传统的铁磁类吸收剂,如Fe,Ni,Co,Fe3O4,Co3O4 等铁磁性纳米物质对电磁波具有较强的磁损耗。通过结构设计,将石墨烯与此类纳米粒子复合后,得到石墨烯片层中镶嵌强吸收电磁波纳米磁性粒子结构的复合材料,并且可实现对微波较强的介电损耗和磁损耗。此类复合材料将石墨烯与磁性纳米粒子的优异性能结合在一起,有效提高了石墨烯材料的磁损耗,并可显著提高我国吸波材料的多频谱兼容技术水平以及满足现代武器装备对于吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求,是一种极有发展前途的新型吸收剂。其吸波机制主要为对微波的电导损耗、多重散射、界面极化、畴壁共振、电子能级分裂等。
        科研现状:
研究表明,当吸波涂层厚度为1 mm 时,在7 GHz 左右反射率最大衰减值可达到–6.5 dB。为了提高石墨烯的电磁波吸收能力,将石墨烯进行亲水处理后,在石墨烯表面采用化学镀Ni 的方法沉积纳米Ni 颗粒。当石墨烯/Ni 纳米复合材料的厚度为1.5 mm 时,在12 GHz 左右的最大反射损耗为–16.5 dB,并且在9.5~14.6 GHz 频段范围内的反射损耗均低于–10 dB。
        上述研究结果表明,磁性纳米材料的引入可以有效改善石墨烯的电磁性能,提高其微波吸收效果。必须从磁性材料的组分、磁性材料的结构以及复合材料的结构方面进一步研究,才能得到高性能的石墨烯磁性纳米粒子复合吸波材料。
        作为新一代碳材料的石墨烯,不仅具有独特的物理结构和优异的力学、电磁性能,还具有良好的微波吸收性能,将其与磁性纳米粒子复合后可以得到一种兼具磁损耗和电损耗的新型吸收剂,可极大地提高石墨烯复合材料的微波吸收性能。因此,开展多功能石墨烯以及磁性片状石墨烯复合材料的研制,是未来新型吸收剂材料应用研究的重点。
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