隨著電磁設備的大量應用和5G通訊技術的快速發展，電磁幹擾和電磁輻射汙染問題日漸突出。電磁輻射不僅(jin) 影響電子器件的正常工作和使用壽命，對人體(ti) 健康也有危害。此外，電磁隱身技術在國防軍(jun) 工領域具有重要的應用價(jia) 值。因而，新型高性能吸波材料的開發成為(wei) 當前材料科學和電子科學與(yu) 技術領域的研究熱點。

　　科研人員發現，電磁波在傳(chuan) 播途中遇到障礙物時，受障礙物的反射和吸收，能量會(hui) 發生衰減。多年來，人類對吸波材料研究的熱情不減，湧現出各式各樣的吸波材料，但麵對紛繁複雜的應用場景，吸波材料依然供不應求。

　　近日，安徽理工大學教授疏瑞文團隊基於(yu) 還原氧化石墨烯（RGO），研發出一種三維超輕複合氣凝膠材料，展現出優(you) 異的吸波性能，且密度低、厚度薄，為(wei) 輕質高性能吸波材料研發提供了新思路。相關(guan) 研究結果發表於(yu) Composites Science and Technology。

　　尋找完美吸波材料

　　由於(yu) 頻率、波長、能量的不同，電磁波對人體(ti) 的傷(shang) 害也不同。一般來說，當能量達到12 eV以上時，將導致機體(ti) 嚴(yan) 重的損傷(shang) 。因此，人類迫切需要研發性能優(you) 異的電磁波吸收劑，來消除電磁波的危害。

　　吸波材料很神奇，能夠將電磁能轉換為(wei) 熱能或其它形式的能量，實現對入射電磁波的有效吸收。它通常由基體(ti) 材料與(yu) 吸收介質複合而成，吸收能力、厚度、吸收帶寬和密度大小是評價(jia) 吸波材料的吸波性能的重要指標。

　　國際上對吸波材料的研究集中在複合材料、手性材料、新型材料幾方麵，其中，複合材料綜合了多種功能材料的優(you) 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(liang) 種或兩(liang) 種以上功能特性的複合材料的研究正逐漸成為(wei) 熱點。

　　疏瑞文介紹，多種材料複合也存在一些弊端，比如材料製備步驟繁雜、產(chan) 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、大比表麵積、高寬厚比和電荷載流子遷移率，已被廣泛應用於(yu) 電磁波吸收領域。美中不足的是，單一的微波衰減機製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現天然的、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(ge) 循序漸進且漫長的過程。”疏瑞文說。

　　“反其道而行”製備三維材料

　　為(wei) 了改造RGO，疏瑞文團隊自2015年就開始了相關(guan) 研究。團隊成員、安徽理工大學在讀碩士研究生萬(wan) 宗理介紹，製備複合型吸波材料，一般是將密度低的電損耗型材料與(yu) 吸收強的磁損耗吸波材料相複合，通過調節電磁參數使其趨向阻抗匹配特性，從(cong) 而達到低密度、強吸收和寬頻帶的效果。

　　理論如此，操作並不容易。一次偶然的機會(hui) ，疏瑞文注意到，作為(wei) 目前世界上密度最小的固體(ti) 材料，氣凝膠具有獨特的三維開放網絡和高比表麵積，這意味著“氣凝膠在吸附、隔熱保溫、催化劑載體(ti) 和儲(chu) 能器件等領域具有巨大的潛在應用價(jia) 值”。

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

　　眾(zhong) 所周知，多孔結構不僅(jin) 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氣凝膠或基於(yu) RGO的複合氣凝膠將是有希望的輕質電磁波吸收劑。”疏瑞文告訴《中國科學報》。

　　經過水熱法和冷凍幹燥處理，研究團隊製備出超輕氮摻雜還原氧化石墨烯/多壁碳納米管（NRGO/MWCNTs）複合氣凝膠。該氣凝膠具有超低的本體(ti) 密度，且內(nei) 部存在層次孔道結構，優(you) 化了阻抗匹配，使得電磁波容易進入材料內(nei) 部，在內(nei) 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(wei) 了盡量減小材料的厚度，更希望研發低維材料，比如二維材料，此次，研究團隊反其道而行，開發出厚度較薄的三維材料，且製備環節更簡單。“經過逐步優(you) 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(jue) 量產(chan) 難題

　　是什麽(me) 原因讓NRGO/MWCNTs複合氣凝膠擁有吸波“超能力”呢？萬(wan) 宗理介紹，二維片狀RGO通過自組裝形成三維多孔網絡結構，且褶皺表麵均勻地附著大量的一維中空管狀MWCNTs可以產(chan) 生大量的異質界麵；大量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，多壁碳納米管的複合、長度和填料含量對複合氣凝膠吸波性能也有顯著的影響。研究發現，添加長多壁碳納米管的複合氣凝膠表現出綜合最優(you) 的電磁波吸收能力，在較薄的厚度和低填料含量下具有強吸收和寬頻帶。

　　“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複合氣凝膠具有優(you) 越的電磁波吸收能力的主要原因。”疏瑞文說，該研究有助於(yu) 設計和製備石墨烯基三維結構複合材料作為(wei) 輕質高效的電磁波吸波材料。

　　談及應用場景，他表示，NRGO/MWCNTs複合氣凝膠可用於(yu) 電磁輻射汙染防護、電磁屏蔽、雷達隱身、吸附、隔熱保溫、催化劑載體(ti) 和儲(chu) 能器件等領域。

　　材料研發是一個(ge) 循序漸進的過程，該材料距離應用還存在一些問題，首當其衝(chong) 的就是產(chan) 量放大。目前，實驗室生產(chan) 氣凝膠僅(jin) 限於(yu) 克級。此外，團隊接下來還將在提升材料綜合性能方麵努力。

　　疏瑞文舉(ju) 例，研究團隊將在NRGO/MWCNTs複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，提高複合氣凝膠的力學性能，為(wei) 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(chu) 能方麵進行拓展。

　　相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108818

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