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反其道而行制備三維材料 復(fù)合氣凝膠:電磁波捕捉能手

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日期:2021-06-21 14:00:33    來源:中國科學(xué)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(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。

近日,安徽理工大學(xué)教授疏瑞文團(tuán)隊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)表在《復(fù)合材料科學(xué)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(dá)到12 eV以上將導(dǎo)致機體嚴(yán)重?fù)p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(fù)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(fù)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(biāo)。

國際上對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(fù)合材料的研究正逐漸成為熱點。

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(jìn)行改造是一個循序漸進(jìn)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(tuán)隊自2015年就開始了相關(guān)研究。團(tuán)隊成員、安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生萬宗理介紹,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的磁損耗吸波材料相復(fù)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(dá)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(fù)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(xué)報》。

經(jīng)過水熱法和冷凍干燥處理,研究團(tuán)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(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,并在內(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(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。

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”?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(fù)合、長度和填料含量對復(fù)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)損耗可能是復(fù)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(fù)合材料。

談及應(yīng)用場景,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、催化劑載體和儲能器件等領(lǐng)域。

材料研發(fā)是一個循序漸進(jìn)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(tuán)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(tuán)隊將在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,還將在多功能上下功夫,在超疏水、隔熱防火、儲能方面進(jìn)行拓展。(記者 卜葉)

關(guān)鍵詞: 復(fù)合氣凝膠 電磁波 吸波材料 三維超輕復(fù)合氣凝膠材料

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