石墨烯复合材料的高效电磁波吸收特性与未来应用

作者：茶瘾袋控君

石墨烯复合材料的研究

△ 实验背景和目的

      石墨烯复合材料在电磁波吸收领域的研究背景，随着5G通讯技术的迅猛发展，电磁波辐射引发的电磁污染、电磁干扰以及信息泄密等问题日益凸显，严重威胁人体健康和生态环境的平衡，同时也阻碍了电子信息工业的稳健进步。此外，在国防领域，电磁波吸波材料也具有重要意义。因此，研发高性能吸波材料已成为材料科学领域的紧迫任务。近年来，石墨烯基复合吸波材料备受瞩目。石墨烯因其出色的电子导电性而备受青睐，当与磁性/介电组分结合时，能够显著优化阻抗匹配特性，进而强化吸波效能。最近的研究还发现，微观多孔碳结构能够促进电磁波在多界面发生多重散射和界面极化，有助于阻抗匹配的改善和电磁波衰减的增强。然而，碳质构建单元的无序取向和排列给孔结构的有序、连续组装带来了挑战。同时，如何在多孔石墨烯基质中均匀分散复合介电/磁纳米颗粒，并通过多组分协同效应增强电磁谐振，仍是该领域的核心难题。因此，探索高效的合成策略，以构建介电/磁性纳米颗粒均一分布的三维互联多孔石墨烯复合材料，是提升其高性能电磁吸收能力的关键。

△ 材料结构与性能特征

      本文的亮点在于，成功构建了有序互联的多孔网络石墨烯骨架，这一结构不仅提供了丰富的异质界面，还形成了介电-磁多重损耗中心，显著增强了电磁波的衰减能力。此外，通过巧妙调控SiO2的包覆量，我们可以有效地控制电磁参数，进一步优化阻抗匹配和衰减常数，从而实现高强度和宽频段的电磁波吸收效果。

△ 实验结果与分析

      图1（A）详细展示了复合材料的制备过程，并有力证明了氮原子已成功掺杂到石墨烯中。图2展示了不同样品的反射损耗随频率和厚度变化的三维和二维反射损耗图。特别指出，在可调厚度范围1.6~5 mm内，该样品展现出高达13.28 GHz（4.72~18 GHz）的电磁波吸收频带宽度，覆盖了整个频率范围的83%。这得益于有序互联的多孔石墨烯网络结构，以及Ni/SiO2所引发的介电-磁损耗的协同效应，同时结合N掺杂所带来的丰富异质界面，共同实现了对电磁波的高强度和宽频带吸收。为深入探究各组分对吸波性能的贡献，我们逐步在多孔石墨烯中掺入了磁性Ni颗粒、SiO2层以及氮杂原子，并逐一分析了它们的电磁参数。这些引入的组分显著降低了材料的介电实部和虚部。特别地，Ni的加入明显增强了磁损耗，而包覆SiO2后形成的异质界面则有效提升了材料界面极化损耗。同时，N杂原子的掺入进一步强化了偶极极化。通过对比纯石墨烯的Cole-cole曲线，我们可以清晰地看到，这些多组分的引入显著丰富了极化弛豫的类型。

△ 总结及未来展望

      经过深入探讨材料的组成、结构与电磁参数的相互关系，我们进一步阐明了其电磁波吸收的内在机理。本研究中成功合成的多孔石墨烯基复合材料，在追求轻质且高效的电磁波吸收方面展现出广阔的应用潜力。同时，我们提出的多维度、多尺度的设计策略，亦可为高性能多孔碳基复合吸波材料的研发提供有力指导。