隨著電子技術(shù)發(fā)展，電磁污染問(wèn)題日益突出，開發(fā)高效電磁波吸收材料成為迫切需求。碳基材料憑借輕質(zhì)、高導(dǎo)電性和可調(diào)電磁特性成為研究熱點(diǎn)，其類型主要包括石墨烯、碳納米管和生物質(zhì)碳。石墨烯作為單層二維碳材料，具有高電子遷移率和大比表面積；碳納米管憑借獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電磁性能成為理想選擇；生物質(zhì)碳原料來(lái)源廣泛且成本低廉，展現(xiàn)出良好的吸波潛力。
圖1. 電磁波吸收的主要介電和磁損耗機(jī)制。(a) 電導(dǎo)損耗。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)。(b) 極化損耗。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[34,35]。(c) 自然共振。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)。(d) 交換共振。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)。(e) 渦流損耗。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)。
圖2. 改性石墨和石墨烯在微波吸收中的應(yīng)用。 (a) 石墨的晶體結(jié)構(gòu)和層堆疊模型。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。 (b) 不同壓縮應(yīng)變下全石墨烯氣凝膠的微波反射損耗曲線。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。 (c) 石墨烯泡沫的微波吸收機(jī)制示意圖。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。 (d) 錯(cuò)層圓形納米多孔石墨烯的制備示意圖。 (e) 錯(cuò)層雙層石墨烯的透射電子顯微鏡圖像。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。 (f) 石墨中的原子摻雜和缺陷用于介電共振。經(jīng)Ref. [68,69]許可轉(zhuǎn)載。 (g) 硫摻雜空心石墨化碳納米球用于電磁波吸收。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。 (h) 不同石墨化程度碳的電磁波損耗行為。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。
圖3。石墨烯氧化物（GO）和還原石墨烯氧化物（r-GO）用于微波吸收。（a） 從石墨到GO和r-GO的過(guò)程示意圖。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（b） 氧化共軛區(qū)域的示意圖。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（c） 低負(fù)載和高負(fù)載r-GO的介電損耗機(jī)制。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（d） 用于微波吸收的蜂窩狀r-GO復(fù)合材料。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（e） r-GO海綿超結(jié)構(gòu)的微波反射損耗（RL）曲線。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（f） 中空r-GO碗的制備過(guò)程和缺陷演變。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（g） r-GO氣凝膠的電磁波衰減機(jī)制。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（h） 不同片層大小的r-GO的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和反射損耗（RL）。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。（i） 打印的GO和r-GO層壓板。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。
圖4.CNT用于微波吸收。(a) 單壁和多壁CNT的晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(b) CNT的主要微波損耗機(jī)制。經(jīng)Ref. [87-91]許可轉(zhuǎn)載。(c) 不同非晶-石墨比CNT的制備及其相應(yīng)的微波反射損耗。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(d) 非晶CNT的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(e) 不同壁層CNT的Cole-Cole圖。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(f) 不同交錯(cuò)角(0°，45°，和90°)的交叉堆疊對(duì)齊CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像及相應(yīng)的電荷密度分布。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(g) 人工設(shè)計(jì)的CNT基復(fù)合結(jié)構(gòu)中的介電共振。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(h) CNT基氣凝膠的微波吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。(i) 與石墨烯片結(jié)合的CNT的制備及形貌。經(jīng)Ref. 許可轉(zhuǎn)載。
圖5. 用于微波吸收的碳納米纖維（CNFs）。
(a) CNFs電紡絲制備和微波響應(yīng)機(jī)制的示意圖。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[102,103]。
(b) CNF-NP和CNF-PN的介電損耗機(jī)制。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[104]。
(c) 固體CNFs和多孔CNFs的比較。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[105]。
(d) 氧化石墨烯包裹的CNFs的透射電子顯微鏡（TEM）圖像、微波吸收機(jī)制和反射損耗（RL）曲線。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[106]。
(e) 不同形式的碳納米管/碳納米纖維（CNTs/CNFs）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及其介電響應(yīng)行為。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[107]。
(f) CNFs-石墨化碳納米片復(fù)合材料的極化-弛豫過(guò)程。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[108]。
圖6.g-C3N4和MXene在微波吸收中的應(yīng)用。(a) g-C3N4的結(jié)構(gòu)。經(jīng)Ref. [118]許可轉(zhuǎn)載。(b) g-C3N4中的導(dǎo)電損耗和極化弛豫。經(jīng)Ref. [119]許可轉(zhuǎn)載。(c) S/P摻雜納米多孔g-C3N4的制備和介電響應(yīng)。經(jīng)Ref. [121]許可轉(zhuǎn)載。(d) 多孔g-C3N4納米片的微波吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. [122]許可轉(zhuǎn)載。(e) MXene及其電磁響應(yīng)。經(jīng)Ref. [123,124]許可轉(zhuǎn)載。(f) MXene Ti3C2的透射電子顯微鏡圖像和RL。經(jīng)Ref. [125]許可轉(zhuǎn)載。(g) TisC2Tx中層間距和終止的同時(shí)調(diào)整示意圖。經(jīng)Ref. [126]許可轉(zhuǎn)載。(h) 超輕MXene Ti3C2Tx泡沫的制備及其微波耗散機(jī)制。經(jīng)Ref. [127]許可轉(zhuǎn)載。(i) 生物仿生MXene復(fù)合膜及其微波吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. [128]許可轉(zhuǎn)載。
圖7.用于微波吸收的碳/非磁性金屬?gòu)?fù)合材料。(a) Cu/C核殼納米線和它們的介電響應(yīng)機(jī)制。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[136]。(b) Cu納米團(tuán)簇-碳網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)制。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[137]。(c) Sn納米顆粒在碳基體中的分裂過(guò)程和相應(yīng)的透射電子顯微鏡圖像。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[138]。(d) Fe單原子和亞團(tuán)簇@氮摻雜碳納米籠的微波吸收性能和介電損耗機(jī)制。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[139]。(e) 氮摻雜石墨碳上的Co單原子和團(tuán)簇。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[140]。(f) 非平面石墨烯上的Fe單原子及其介電特性。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[141]。
圖8. 用于微波吸收的碳/介電氧化物復(fù)合材料。(a) 一維管中絲狀ZnO@碳納米線和它們的介電損耗。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[152]。(b) MnO@C在不同納米結(jié)構(gòu)下的介電參數(shù)和電荷密度分布。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[153]。(c) Ti?O??-1/CNTs復(fù)合材料的相變過(guò)程和微波吸收機(jī)制。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[155]。(d) 可逆介電變化和r-GO/VO?復(fù)合氣凝膠的“開/關(guān)”可切換微波吸收性能。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[156]。(e) 超細(xì)空位豐富的Nb?O?/碳納米片復(fù)合材料。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[157]。(f) 具有大角度晶界及其介電響應(yīng)的Fe基氧化物/碳復(fù)合材料。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[158]。(g) MnFe?O?/LaMnO?/LaFeO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)和缺陷豐富的碳納米復(fù)合材料用于增強(qiáng)的介電損耗。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[159]。
圖9. 用于微波吸收的碳/硫化物復(fù)合材料。 (a) “非標(biāo)準(zhǔn)”蛋黃殼結(jié)構(gòu)NiS,@N，S摻雜碳及其微波吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. [160]許可轉(zhuǎn)載。 (b) 蛋黃殼結(jié)構(gòu)碳@CoS及其電磁響應(yīng)機(jī)制。經(jīng)Ref. [161]許可轉(zhuǎn)載。 (c) 層狀Bi2S3/Ti3C2Tx復(fù)合材料及介電損耗機(jī)制。經(jīng)Ref. [162]許可轉(zhuǎn)載。 (d) 一維Ti3C2Tx/MoS2自卷曲棒基泡沫和碳纖維@MXene@MoS2核殼復(fù)合材料用于增強(qiáng)微波吸收。經(jīng)Ref. [163]許可轉(zhuǎn)載。 (e) CuCo2S4@膨脹石墨復(fù)合材料和電磁吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. [164]許可轉(zhuǎn)載。 (f) 核殼空心碳球@MoS2Se2-x復(fù)合材料，具有改善的介電損耗。經(jīng)Ref. [165]許可轉(zhuǎn)載。 (g) 碳纖維@1T/2H MoS2復(fù)合材料。經(jīng)Ref. [166]許可轉(zhuǎn)載。
圖10。用于微波吸收的碳/磁性金屬?gòu)?fù)合材料。(a) 封裝在CNTs中的Fe及其2至18 GHz的RL曲線。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[168]。(b) 嵌入多壁CNTs中的Fe/Co/Ni及其頻率依賴的介電/磁損耗正切值。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[169]。(c) MXene-FeCo納米花薄膜及其RL曲線。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[170]。(d) Co@N摻雜碳納米籠及其最大RL值和帶寬。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[171]。(e) 高熵MXene/中熵合金復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)制。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[174]。(f) 一維FeCoNi/碳纖維的磁性耦合和重建磁性全息圖。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[175]。(g) 通過(guò)原位電弧放電法制備的高熵合金@石墨納米膠囊及其優(yōu)化的微波吸收性能。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[176]。
圖11. 用于微波吸收的碳/磁性氧化物復(fù)合材料。 (a) Fe?O?團(tuán)簇-氮摻雜石墨烯復(fù)合材料及其電磁波響應(yīng)特性。經(jīng)Ref. [178]許可轉(zhuǎn)載。 (b) 納米多孔Fe?O?@碳復(fù)合材料和RL。經(jīng)Ref. [179]許可轉(zhuǎn)載。 (c) Fe?O?@Zn-N-碳微球及其磁介電協(xié)同損耗。經(jīng)Ref. [180]許可轉(zhuǎn)載。 (d) Fe?O?@C/r-GO氣凝膠及其磁介電損耗機(jī)制。經(jīng)Ref. [181]許可轉(zhuǎn)載。 (e) NiCo?O?/中空介孔碳納米球復(fù)合材料。經(jīng)Ref. [182]許可轉(zhuǎn)載。 (f) 分級(jí)碳/中空CoFe?O?復(fù)合材料的微波吸收機(jī)制。經(jīng)Ref. [183]許可轉(zhuǎn)載。 (g) NiFe?O?/Ti?C?Tx復(fù)合材料的電磁衰減機(jī)制。經(jīng)Ref. [184]許可轉(zhuǎn)載。 (h) 一維磁性鐵氧體/碳纖維及其微波吸收性能。經(jīng)Ref. [185]許可轉(zhuǎn)載。
圖12.用于微波吸收的碳/電介質(zhì)/磁性多組分復(fù)合材料。(a) 蛋黃殼結(jié)構(gòu)Ni@C@ZnO復(fù)合材料及其微波吸收機(jī)制。經(jīng)參考文獻(xiàn)[187]許可轉(zhuǎn)載。(b) 六角星形、花形Co@ZnO@N摻雜碳復(fù)合材料和磁介電損耗機(jī)制。經(jīng)參考文獻(xiàn)[188]許可轉(zhuǎn)載。(c) 嵌入非晶碳基體中的核殼Fe/MnO@C納米膠囊和電磁波衰減機(jī)制。經(jīng)參考文獻(xiàn)[189]許可轉(zhuǎn)載。(d1) 多殼Fe@C@TiO2@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像，(d2) 重建的磁性全息圖，以及(d3) 微波吸收機(jī)制。經(jīng)參考文獻(xiàn)[190]許可轉(zhuǎn)載。
電磁波吸收機(jī)制主要涉及介電損耗、磁損耗及多重散射效應(yīng)。介電損耗源于材料電導(dǎo)率和極化作用，碳基材料的高導(dǎo)電性使其成為主要損耗途徑；磁損耗通過(guò)復(fù)合磁性物質(zhì)引入磁滯、渦流等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同增強(qiáng)；材料內(nèi)部孔隙與界面引起的多重反射和散射可延長(zhǎng)電磁波傳播路徑，促進(jìn)能量耗散。為優(yōu)化性能，研究者通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控（如構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)增加散射）、形貌設(shè)計(jì)（一維至三維多尺度結(jié)構(gòu)）以及組分復(fù)合（引入磁性顆?；?qū)щ娋酆衔铮┨嵘杩蛊ヅ渑c損耗效率。
碳基材料在電磁屏蔽、隱身技術(shù)和雷達(dá)吸波等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但仍面臨吸收帶寬不足、環(huán)境穩(wěn)定性差及規(guī)?；a(chǎn)困難等挑戰(zhàn)。未來(lái)研究需聚焦新型復(fù)合結(jié)構(gòu)開發(fā)，探索多機(jī)制協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)優(yōu)化制備工藝以降低成本，推動(dòng)材料從實(shí)驗(yàn)室向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。此外，深入解析微觀結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，建立精準(zhǔn)理論模型，將為高性能碳基吸波材料的設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
