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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

隨著電磁設備的大量應用和5G通信技術的快速發(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領域的研究熱點。

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，展現出優(yōu)異的吸波性能，且密度低、厚度薄，為輕質高性能吸波材料研發(fā)提供了新思路。相關研究結果發(fā)表在《復合材料科學與技術》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，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。根據這一現象，早在二戰(zhàn)時期，美國和德國就開始了吸波材料的相關研究。多年來，人類對吸波材料研究的熱情不減，涌現出各式各樣的吸波材料，但面對紛繁復雜的應用場景，吸波材料依然供不應求。

吸波材料很神奇，能夠將電磁能轉換為熱能或其他形式的能量，實現對入射電磁波的有效吸收。它通常由基體材料與吸收介質復合而成，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，是最易設計和實現的吸波材料之一。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、產率較低、成本較高，同時材料的密度較高、應用場景受限。

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，已被廣泛應用于電磁波吸收領域。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用需求。

“人類尚未在自然界發(fā)現天然、完美的吸波材料，對展現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，通過調節(jié)電磁參數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絡和高比表面積，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域具有巨大的潛在應用價值”。

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

眾所周知，多孔結構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電磁波吸收劑。”疏瑞文告訴《中國科學報》。

經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，且內部存在層次孔道結構，優(yōu)化了阻抗匹配，使得電磁波容易進入材料內部，并在內部孔隙組成的網絡結構中進行能量衰減。

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。“經過逐步優(yōu)化改進，該氣凝膠的厚度有望進一步降低，或將比二維材料更輕薄。”疏瑞文說。

應用需解決量產難題

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絡結構，且褶皺表面均勻附著大量一維中空管狀MWCNTs以產生大量的異質界面；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，添加長多壁碳納米管的復合氣凝膠表現出最優(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。

“構造良好的三維導電網絡結構、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，該研究有助于設計和制備作為輕質高效電磁波吸波材料的石墨烯基三維結構復合材料。

談及應用場景，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域。

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

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域的應用奠定基礎。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。