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基于石墨烯的吸波材料应用研究
更新时间:2017-12-28 浏览数:

2017-12-28 石墨邦

核心提示: 由于原传播介质的波阻抗和材料的波阻抗并不匹配,就会有一部分的电磁波发生反射,而另一部分则透射进入到介质内部。阻抗越不匹配,反射的电磁波就越多。只有当原传播介质的波阻抗与材料的波阻抗相互匹配时,电磁波才会最大效率地入射到材料内。



石墨烯(上)和不同结构的碳材料:富勒烯(左下);碳纳米管(下中);石墨(右下)



多组份石墨烯基多功能复合吸波材料吸波机制图。

随着电子信息技术的发展和电子产品的普及,电磁波在人们的日常生活中广泛存在。当电磁辐射超出人体和环境所能承受的上限时,会形成电磁污染。在军事领域,雷达仍然是现代战争中搜寻目标的惯用手段,研制能够高效吸收电磁波的雷达隐身材料是提高武器系统生存能力的有效途径之一。因此,吸波材料在民事和军事领域上都有着广泛的研究价值和应用前景。

新型的电磁波吸收材料——石墨烯

石墨烯是2004年首次发现的一种新型的二维纳米材料,其神奇的二维结构使其具有独特的理化性能。

石墨烯是目前已知的导电性能最好的材料。石墨烯中的电子运动速度可以达到光速的1/300。石墨烯的价带和导带相交于费米能级,这赋予了石墨烯独特的零能隙半导体性能,是目前最高迁移率的锑化铟材料的两倍。在未来,石墨烯或有可能取代硅制造超微型晶体管,将计算机处理器的运算速率提高百倍。

石墨烯的强度相当于目前最好的钢材强度的100多倍,硬度甚至超过了钻石,是目前自

然界强度最大的材料,而它的密度却很小。在室温下,石墨烯的热传导率是常用的金属导热材料如金银铜的十几倍,是铝的二十多倍。

石墨烯还具有其他一些特殊的性能,如超高的比表面积。单原子层石墨烯的理论比表面积可以达到惊人的2630m2/g,是活性炭的比表面积的2~3倍,可以用于吸附和脱附各种大分子和小颗粒。石墨烯的光学透过率达到97.7%,这种特性让石墨烯在太阳能电池的透明电极也有应用的潜力。

上述特点使得石墨烯有可能取代传统碳材料成为一种新型的电磁波吸收材料,但不可回避的是,与其他碳系材料类似,单纯石墨烯的主要电磁波衰减机制是电损耗,因而吸波性能欠佳。

因将碳材料与铁氧体、电损耗型的金属化合物纳米粒子复合是提高吸波性能的一种有效途径。石墨烯比表面积大,很适合作为载体来负载纳米粒子,不仅可以有效解决纳米粒子分散性差、自身易团聚的难题,而且可以在纳米尺度上对其结构和性能进行设计和优化,从而制备出具有特定组成、结构和性能的石墨烯基多功能复合吸波材料。

石墨烯的吸波机理

电磁波在传播过程中遇到任何形状的介质时,在电磁波的入射面或界面都会发生反射和透射现象。由于原传播介质的波阻抗和材料的波阻抗并不匹配,就会有一部分的电磁波发生反射,而另一部分则透射进入到介质内部。阻抗越不匹配,反射的电磁波就越多。只有当原传播介质的波阻抗与材料的波阻抗相互匹配时,电磁波才会最大效率地入射到材料内。电磁波在材料内部传播过程中与材料发生相互作用并被转化为其他形式的能量(如机械能、电能和热能等),即电磁波损耗。所以,吸波材料的吸波性能主要由两个条件决定:一是阻抗匹配特性,即减少电磁波在材料表面的反射或电磁波能够最大限度地进入到材料内部;二是衰减特性,即电磁波进入到材料内部后,材料能够对电磁波进行有效地吸收或损耗,减少电磁波的二次反射。

多组分石墨烯基吸波材料通过复合杂化粒子微结构及协同效应,并研究吸波材料的负载密度、形貌、结构、各组份成份含量以及各组份之间的协同效应对其电磁参数的影响,同时利用石墨烯的特殊结构以及石墨烯与纳米粒子复合所带来的特殊性质所造成的界面极化、电子弛豫极化和偶极子极化等效应来损耗电磁波,获得了具备多种电磁波损耗机制且性能可调的质轻、高强、宽频吸波材料结构体系。

石墨烯吸波材料的研究现状及启示

近年来研究者在对于石墨烯吸波材料方面的研究做了很多有价值的工作。

多元体系的石墨烯基复合吸波材料的设计与制备以及电磁波吸收性能的研究在国际上刚刚开展。高的比表面积、优秀的电学性能和特殊的二维结构等特性都赋予了石墨烯作为新型复合吸波材料理想构建单元的优异潜能,但石墨烯基复合吸波材料的综合吸波性能仍有待提高。

采用多种组份的纳米粒子与石墨烯复合,在一定程度上减轻了石墨烯片层的团聚,更重要的是制备的多组份复合材料具有多功能,对于吸波材料而言,每一组份的材料具有不同的电磁波吸收特性,多种组份的材料复合时吸波材料能兼顾那种材料的优点,实现优势互补。但是多元复合材料在制备时存在的缺点也很明显,例如,不同界面的相容性差、多组分材料的分散性和均匀性不易控制等。

尽管如此,多元体系的石墨烯基复合吸波材料的设计与制备依旧会成为未来新型吸波材料研究的重点,作为新型基材的石墨烯也会对推动隐身材料的技术发展以及电磁防护方面的研究提供更大的作用。

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来源:中国航空报 

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