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三維超輕復合氣凝膠材料讓復合氣凝膠擁有吸波“超能力”

2021-06-21 11:34:13 來源：中國科學報

隨著電磁設(shè)備的大量應(yīng)用和5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，電磁干擾和電磁輻射污染問題日漸突出。電磁輻射不僅影響電子器件的正常工作和使用壽命，也對人體健康產(chǎn)生危害。因而，新型高性能吸波材料的開發(fā)成為當前材料科學和電子科學與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

近日，安徽理工大學教授疏瑞文團隊基于還原氧化石墨烯（RGO），研發(fā)出一種三維超輕復合氣凝膠材料，展現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能，且密度低、厚度薄，為輕質(zhì)高性能吸波材料研發(fā)提供了新思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《復合材料科學與技術(shù)》上。

尋找完美吸波材料

由于頻率、波長、能量不同，電磁波對人體的傷害也不同。一般來說，能量達到12 eV以上將導致機體嚴重損傷。因此，人類迫切需要研發(fā)性能優(yōu)異的電磁波吸收劑消除其危害。

科研人員發(fā)現(xiàn)，電磁波在傳播途中遇到障礙物時，受障礙物的反射和吸收，能量會發(fā)生衰減。根據(jù)這一現(xiàn)象，早在二戰(zhàn)時期，美國和德國就開始了吸波材料的相關(guān)研究。多年來，人類對吸波材料研究的熱情不減，涌現(xiàn)出各式各樣的吸波材料，但面對紛繁復雜的應(yīng)用場景，吸波材料依然供不應(yīng)求。

吸波材料很神奇，能夠?qū)㈦姶拍苻D(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量，實現(xiàn)對入射電磁波的有效吸收。它通常由基體材料與吸收介質(zhì)復合而成，吸收能力、厚度、吸收帶寬和密度是評價吸波材料性能的重要指標。

國際上對吸波材料的研究集中在復合材料、手性材料、新型材料幾方面，其中，復合材料綜合了多種功能材料的優(yōu)異性能，是最易設(shè)計和實現(xiàn)的吸波材料之一。近年來，對同時具有兩種或以上功能特性的復合材料的研究正逐漸成為熱點。

疏瑞文介紹，多種材料復合也存在一些弊端，比如材料制備步驟繁雜、產(chǎn)率較低、成本較高，同時材料的密度較高、應(yīng)用場景受限。

RGO是一種二維碳材料，具有低密度、大比表面積、高寬厚比和電荷載流子遷移率，已被廣泛應(yīng)用于電磁波吸收領(lǐng)域。美中不足的是，單一的微波衰減機制和較差的阻抗匹配使得RGO的電磁波吸收能力難以滿足實際應(yīng)用需求。

“人類尚未在自然界發(fā)現(xiàn)天然、完美的吸波材料，對展現(xiàn)出吸波潛力的材料進行改造是一個循序漸進且漫長的過程。”疏瑞文說。

反其道而行制備三維材料

為了改造RGO，疏瑞文團隊自2015年就開始了相關(guān)研究。團隊成員、安徽理工大學在讀碩士研究生萬宗理介紹，制備復合型吸波材料，一般是將密度低的電損耗型材料與吸收強的磁損耗吸波材料相復合，通過調(diào)節(jié)電磁參數(shù)使其趨向阻抗匹配特性，從而達到低密度、強吸收和寬頻帶的效果。

雖然理論如此，但操作并不容易。一次偶然的機會，疏瑞文注意到，目前世界上密度最小的固體材料氣凝膠具有獨特的三維開放網(wǎng)絡(luò)和高比表面積，這意味著“氣凝膠在吸附、隔熱保溫、催化劑載體和儲能器件等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值”。

“二維RGO組裝形成的三維氣凝膠會對電磁波產(chǎn)生怎樣的吸收效果呢？”這一想法閃現(xiàn)在疏瑞文的腦海中。

眾所周知，多孔結(jié)構(gòu)不僅可以大大降低堆積密度，而且可以顯著提高電磁波吸收劑和空氣之間的阻抗匹配程度。因此，“RGO氣凝膠或基于RGO的復合氣凝膠有望成為輕質(zhì)電磁波吸收劑。”疏瑞文告訴《中國科學報》。

經(jīng)過水熱法和冷凍干燥處理，研究團隊制備出超輕氮摻雜還原氧化石墨烯/多壁碳納米管（NRGO/MWCNTs）復合氣凝膠。該氣凝膠具有超低的本體密度，且內(nèi)部存在層次孔道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了阻抗匹配，使得電磁波容易進入材料內(nèi)部，并在內(nèi)部孔隙組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進行能量衰減。

疏瑞文表示，以往為了盡量減小材料厚度，更希望研發(fā)低維材料，比如二維材料。此次研究團隊反其道而行，開發(fā)出厚度較薄的三維材料，且制備環(huán)節(jié)更簡單。“經(jīng)過逐步優(yōu)化改進，該氣凝膠的厚度有望進一步降低，或?qū)⒈榷S材料更輕薄。”疏瑞文說。

應(yīng)用需解決量產(chǎn)難題

是什么原因讓NRGO/MWCNTs復合氣凝膠擁有吸波“超能力”？萬宗理介紹，二維片狀RGO通過自組裝形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且褶皺表面均勻附著大量一維中空管狀MWCNTs以產(chǎn)生大量的異質(zhì)界面；大量的氮原子通過水熱過程摻雜到RGO晶格中，增強了偶極極化損耗。

此外，多壁碳納米管的復合、長度和填料含量對復合氣凝膠吸波性能也有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，添加長多壁碳納米管的復合氣凝膠表現(xiàn)出最優(yōu)的電磁波綜合吸收能力，在較薄的厚度和低填料含量下具有強吸收和寬頻帶特性。

“構(gòu)造良好的三維導電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、良好的阻抗匹配、增強的極化弛豫和電導損耗可能是復合氣凝膠具有優(yōu)越電磁波吸收能力的主要原因。”疏瑞文說，該研究有助于設(shè)計和制備作為輕質(zhì)高效電磁波吸波材料的石墨烯基三維結(jié)構(gòu)復合材料。

談及應(yīng)用場景，他表示，NRGO/MWCNTs復合氣凝膠可用于電磁輻射污染防護、電磁屏蔽、雷達隱身、吸附、隔熱保溫、催化劑載體和儲能器件等領(lǐng)域。

材料研發(fā)是一個循序漸進的過程，該材料距離應(yīng)用還有一段路要走，亟須解決產(chǎn)量放大問題。目前，實驗室生產(chǎn)氣凝膠僅限于克級，此外，團隊接下來還將在提升材料綜合性能方面攻關(guān)。

疏瑞文舉例，研究團隊將在NRGO/MWCNTs復合氣凝膠中引入一些高分子材料、纖維材料或改進冷凍工藝等，提高復合氣凝膠的力學性能，為其在柔性石墨烯基電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時，還將在多功能上下功夫，在超疏水、隔熱防火、儲能方面進行拓展。

標簽：三維復合氣凝膠材料吸波性能密度低厚度薄