由于碳材料具有優(yōu)異的介電性能、良好的復(fù)合特性、特殊的微觀結(jié)構(gòu)、較低的比重、較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性以及使用便捷、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)吸波領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，已逐漸成為學(xué)界與工業(yè)界所追逐的熱點(diǎn)研究對(duì)象與應(yīng)用方向。但單一碳材料介電常數(shù)較大，不利于阻抗匹配，導(dǎo)致其吸波性能較差，而且作為納米材料，碳材料之間的團(tuán)聚程度高，難以均勻分散在基體當(dāng)中。通過制備碳基復(fù)合材料來調(diào)節(jié)其電磁參數(shù)，提高阻抗匹配程度并改善分散性，有望獲得輕質(zhì)、高效的吸波材料。在最近三年的時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)科學(xué)家們針對(duì)上述問題開展了大量的研究工作，下面就一起來回顧與總結(jié)碳基吸波材料的最新研究進(jìn)展。
1.石墨烯基復(fù)合吸波材料
石墨烯是以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維材料，由于其獨(dú)一無二的結(jié)構(gòu)，石墨烯有一系列突出的物理和化學(xué)特性，比如高的電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、大的比表面積、高的機(jī)械強(qiáng)度和卓越的光學(xué)性能。這些特性使石墨烯成為很有前景的吸波材料。通過氧化還原法制備成的還原氧化石墨烯具有大量的缺陷和殘留的官能團(tuán)使石墨烯的電導(dǎo)率降低，同時(shí)這些缺陷和官能團(tuán)的出現(xiàn)可以產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)的局域化態(tài)，有利于電磁波的吸收和衰減。且還原氧化石墨烯基的復(fù)合材料具有三維分層結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)電子傳輸，具有強(qiáng)烈的極化損耗。但是其本身較大的介電常數(shù)，對(duì)電磁波的損耗產(chǎn)生了不利的影響，降低了阻抗匹配程度。利用其巨大的比表面積以及獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)與其他材料相結(jié)合得到協(xié)同增強(qiáng)復(fù)合材料，可以改善石墨烯阻抗匹配和分散特性等問題。
Ying Wang等[1]為了克服石墨烯阻抗匹配差和易團(tuán)聚等問題，成功制備出了基于無定形碳球（ACMs）和還原氧化石墨烯（rGO）的夾層狀石墨烯基復(fù)合材料（如圖1所示）。rGO / ACMs / rGO復(fù)合物在2.0-18.0 GHz頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出優(yōu)越的吸波特性，研究結(jié)果表明，獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)引起的多次反射和界面極化是微波吸收增強(qiáng)的原因。更重要的是，rGO / ACMs / rGO經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理后后仍表現(xiàn)出良好的吸波性能。這項(xiàng)工作為探索高吸收且耐用的石墨烯基復(fù)合吸波材料提供了新的思路。
Fang Ye等[2]將CH3OH作為前軀體，使用簡(jiǎn)單的化學(xué)氣相沉積（CVD）法使石墨烯（ERG）直接生長(zhǎng)在多孔Si3N4陶瓷上，CH3OH的大O / C原子比有助于營(yíng)造溫和的氧化氣氛，形成獨(dú)特的納米平面結(jié)構(gòu)，促使ERG / Si3N4復(fù)合吸收劑具有良好的阻抗匹配特性和較強(qiáng)的損耗能力（如圖2）。研究結(jié)果表明，此吸收劑表現(xiàn)出優(yōu)越的電磁波吸收性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)CVD石墨烯和還原氧化石墨烯材料，在較少填充含量，厚度為3.75mm的條件下，可實(shí)現(xiàn)4.2 GHz的有效吸收帶寬，覆蓋整個(gè)X波段。
2.碳納米管基復(fù)合吸波材料
碳納米管是由碳原子的六角點(diǎn)陣二維石墨片繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積、低比重、小直徑、高縱橫比、高電導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度的一維介電損耗材料，碳納米管的吸波機(jī)理主要是其作為偶極子在電磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生耗散電流，在周圍的基體作用下，耗散電流被衰減，使得電磁波能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉。因此它在吸波材料中的應(yīng)用具有很大的前景。碳納米管特殊的表面效應(yīng)利于改性和負(fù)載磁性金屬粒子，可以調(diào)節(jié)其阻抗匹配和分散性能。
Lei Wang等[3]通過簡(jiǎn)單的水熱法成功合成了包裹多壁碳納米管的空心立方體ZnSnO3復(fù)合材料（ZSO @ CNTs）（如圖3）。作者研究了不同的反應(yīng)溫度下ZSO @ CNT復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)特性以優(yōu)化復(fù)合材料形貌來增強(qiáng)微波吸收性能。研究結(jié)果表明，ZSO @ CNT-130°C復(fù)合材料在13.5 GHz時(shí)，最大反射損耗可達(dá)-52.1 dB，并在厚度僅為1.6mm時(shí)，吸收帶寬可達(dá)3.9GHz。從1至5 mm調(diào)整模擬厚度，ZSO @ CNT復(fù)合材料的有效吸收帶寬（RL <-10 dB）可達(dá)到14.16 GHz（2-18 GHz的88.8％）。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異的微波吸收性能歸因于極化，傳導(dǎo)損耗和特殊空心籠結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)。本文提出的特殊可控結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)高性能微波吸收劑提供有效途徑。
圖3. ZSO @ CNTs復(fù)合材料微波損耗機(jī)制
3.多孔碳基復(fù)合吸波材料
納米多孔碳材料因其豐富的空隙、大比表面積及易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)在工業(yè)上展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，而通過調(diào)控其組成結(jié)構(gòu)以獲得更優(yōu)的性能并實(shí)現(xiàn)制備成本的控制一直是研究的重點(diǎn)。有序介孔碳材料擁有大的表面積、高孔隙率、統(tǒng)一可調(diào)的孔徑大小、具有催化、吸收、分散、儲(chǔ)存和超級(jí)電容器的功能。有序介孔碳作為吸波材料主要的優(yōu)勢(shì)有以下兩點(diǎn)：（1）多孔結(jié)構(gòu)有利于降低密度和復(fù)介電常數(shù)，導(dǎo)致大多數(shù)電磁波可以進(jìn)入有序介孔碳；（2）有序和平行的孔壁引起電磁波散射，進(jìn)一步增加了對(duì)電磁波的吸收。但是，有序介孔碳是一個(gè)典型的介電損耗材料，沒有磁損耗，進(jìn)一步限制了其在吸波材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。
Hailong Xu等[4]采用熱解和蝕刻法合成具有獨(dú)特內(nèi)部空隙和介孔殼的類紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)-介孔碳中空微球（RBC-PCHMs）。以酚醛樹脂作為基體，填充10wt％的RBC-PCHM，當(dāng)樣品厚度<2mm，溫度為300至523 K時(shí)，在X波段表現(xiàn)出的有效吸收帶寬（反射損耗小于-10dB）大于3GHz。極化損耗隨著溫度的升高而降低，而導(dǎo)電損耗卻相反，說明在一定溫度下有助于阻抗匹配性能的提高。研究結(jié)果表明，具有紅色血細(xì)胞樣形態(tài)的介孔碳空心球很有可能成為高效的輕質(zhì)耐高溫微波吸收劑（如圖4）。
耗和導(dǎo)電損耗的微波衰減控制模型
金屬有機(jī)框架(MOFs)作為一種新型的晶態(tài)多孔材料，具有組成可調(diào)、結(jié)構(gòu)多樣、孔徑可控等特點(diǎn)，在催化、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化、氣體儲(chǔ)存、環(huán)境修復(fù)等諸多方面受到了廣泛的關(guān)注。特別地，基于MOFs的結(jié)構(gòu)與組成，其常被用作制備各種形式的納米多孔碳材料以及新的多功能碳基復(fù)合材料的通用前體，與單個(gè)組件組裝的復(fù)合材料相比，它往往表現(xiàn)出更優(yōu)越的功能特性。
Wei Liu等[5]以Cu3(btc）2為前驅(qū)體將金屬Co納米粒子引入碳基體中來充分利用高孔隙結(jié)構(gòu)制備Cu/C/Co復(fù)合吸波材料。通過改變Co的起始用量，調(diào)整最終材料的成分，可以有效的控制電磁特性。研究結(jié)果表明，改進(jìn)的等效電路模型說明了采用多種衰減機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的反射損耗性能，通過改變界面面積和電導(dǎo)率來優(yōu)化界面極化，可以獲得覆蓋整個(gè)X波段的復(fù)合材料且通過改善阻抗匹配和增強(qiáng)傳導(dǎo)損耗幾乎可以覆蓋整個(gè)Ku波段（12.3至18GHz，厚度為1.85mm）（如圖5所示）。綜上，本文不僅制備了高性能輕質(zhì)微波吸收材料，還為擴(kuò)展MOF衍生的碳復(fù)合材料的功能性鋪平了道路。