隨著電磁設(shè)備的大量應(yīng)用和5G通訊技術(shù)的快速發(fā)展,電磁干擾和電磁輻射污染問(wèn)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,對(duì)人體健康也有危害。此外,電磁隱身技術(shù)在國(guó)防軍工領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因而,新型高性能吸波材料的開(kāi)發(fā)成為當(dāng)前材料科學(xué)和電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
科研人員發(fā)現(xiàn),電磁波在傳播途中遇到障礙物時(shí),受障礙物的反射和吸收,能量會(huì)發(fā)生衰減。多年來(lái),人類(lèi)對(duì)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(duì)紛繁復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景,吸波材料依然供不應(yīng)求。
近日,安徽理工大學(xué)教授疏瑞文團(tuán)隊(duì)基于還原氧化石墨烯(RGO),研發(fā)出一種三維超輕復(fù)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)表于Composites Science and Technology。
尋找完美吸波材料
由于頻率、波長(zhǎng)、能量的不同,電磁波對(duì)人體的傷害也不同。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)能量達(dá)到12 eV以上時(shí),將導(dǎo)致機(jī)體嚴(yán)重的損傷。因此,人類(lèi)迫切需要研發(fā)性能優(yōu)異的電磁波吸收劑,來(lái)消除電磁波的危害。
吸波材料很神奇,能夠?qū)㈦姶拍苻D(zhuǎn)換為熱能或其它形式的能量,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)合而成,吸收能力、厚度、吸收帶寬和密度大小是評(píng)價(jià)吸波材料的吸波性能的重要指標(biāo)。
國(guó)際上對(duì)吸波材料的研究集中在復(fù)合材料、手性材料、新型材料幾方面,其中,復(fù)合材料綜合了多種功能材料的優(yōu)異性能,是最易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的吸波材料之一。近年來(lái),對(duì)同時(shí)具有兩種或兩種以上功能特性的復(fù)合材料的研究正逐漸成為熱點(diǎn)。
疏瑞文介紹,多種材料復(fù)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(shí)材料的密度較高,應(yīng)用場(chǎng)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(jī)制和較差的阻抗匹配使得RGO的電磁波吸收能力難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。
“人類(lèi)尚未在自然界發(fā)現(xiàn)天然的、完美的吸波材料,對(duì)展現(xiàn)出吸波潛力的材料進(jìn)行改造是一個(gè)循序漸進(jìn)且漫長(zhǎng)的過(guò)程。”疏瑞文說(shuō)。
“反其道而行”制備三維材料
為了改造RGO,疏瑞文團(tuán)隊(duì)自2015年就開(kāi)始了相關(guān)研究。團(tuán)隊(duì)成員、安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生萬(wàn)宗理介紹,制備復(fù)合型吸波材料,一般是將密度低的電損耗型材料與吸收強(qiáng)的磁損耗吸波材料相復(fù)合,通過(guò)調(diào)節(jié)電磁參數(shù)使其趨向阻抗匹配特性,從而達(dá)到低密度、強(qiáng)吸收和寬頻帶的效果。
理論如此,操作并不容易。一次偶然的機(jī)會(huì),疏瑞文注意到,作為目前世界上密度最小的固體材料,氣凝膠具有獨(dú)特的三維開(kāi)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(chǔ)能器件等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值”。
“二維RGO組裝形成的三維氣凝膠會(huì)對(duì)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。
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(fù)合氣凝膠將是有希望的輕質(zhì)電磁波吸收劑?!笔枞鹞母嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
經(jīng)過(guò)水熱法和冷凍干燥處理,研究團(tuán)隊(duì)制備出超輕氮摻雜還原氧化石墨烯/多壁碳納米管(NRGO/MWCNTs)復(fù)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(jìn)入材料內(nèi)部,在內(nèi)部孔隙組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行能量衰減。
疏瑞文表示,以往為了盡量減小材料的厚度,更希望研發(fā)低維材料,比如二維材料,此次,研究團(tuán)隊(duì)反其道而行,開(kāi)發(fā)出厚度較薄的三維材料,且制備環(huán)節(jié)更簡(jiǎn)單。“經(jīng)過(guò)逐步優(yōu)化改進(jìn),該氣凝膠的厚度有望進(jìn)一步降低,或?qū)⒈榷S材料更輕薄。”疏瑞文說(shuō)。
應(yīng)用需解決量產(chǎn)難題
是什么原因讓NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠擁有吸波“超能力”呢?萬(wàn)宗理介紹,二維片狀RGO通過(guò)自組裝形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且褶皺表面均勻地附著大量的一維中空管狀MWCNTs可以產(chǎn)生大量的異質(zhì)界面;大量氮原子通過(guò)水熱過(guò)程摻雜到RGO晶格中,增強(qiáng)了偶極極化損耗。此外,多壁碳納米管的復(fù)合、長(zhǎng)度和填料含量對(duì)復(fù)合氣凝膠吸波性能也有顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn),添加長(zhǎng)多壁碳納米管的復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出綜合最優(yōu)的電磁波吸收能力,在較薄的厚度和低填料含量下具有強(qiáng)吸收和寬頻帶。
“構(gòu)造良好的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、良好的阻抗匹配、增強(qiáng)的極化弛豫和電導(dǎo)損耗可能是復(fù)合氣凝膠具有優(yōu)越的電磁波吸收能力的主要原因。”疏瑞文說(shuō),該研究有助于設(shè)計(jì)和制備石墨烯基三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為輕質(zhì)高效的電磁波吸波材料。
談及應(yīng)用場(chǎng)景,他表示,NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠可用于電磁輻射污染防護(hù)、電磁屏蔽、雷達(dá)隱身、吸附、隔熱保溫、催化劑載體和儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域。
材料研發(fā)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,該材料距離應(yīng)用還存在一些問(wèn)題,首當(dāng)其沖的就是產(chǎn)量放大。目前,實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)氣凝膠僅限于克級(jí)。此外,團(tuán)隊(duì)接下來(lái)還將在提升材料綜合性能方面努力。
疏瑞文舉例,研究團(tuán)隊(duì)將在NRGO/MWCNTs復(fù)合氣凝膠中引入一些高分子材料、纖維材料或改進(jìn)冷凍工藝等,提高復(fù)合氣凝膠的力學(xué)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(shí),還將在多功能上下功夫,在超疏水、隔熱防火、儲(chǔ)能方面進(jìn)行拓展。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108818
歡迎掃碼入群!
深圳科普將定期推出
公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的活動(dòng)和科普好物!