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石墨烯--新型吸波材料及吸波機理

2018-1-22 21:15:49      點擊:

石墨烯是2004年首次發現的一種新型的二維納米材料,其神奇的二維結構使其具有獨特的理化性能。

石墨烯是目前已知的導電性能最好的材料。石墨烯中的電子運動速度可以達到光速的1/300。石墨烯的價帶和導帶相交於費米能級,這賦予了石墨烯獨特的零能隙半導體性能,是目前最高遷移率的銻化銦材料的兩倍。在未來,石墨烯或有可能取代矽製造超微型晶體管,將計算機處理器的運算速率提高百倍。

石墨烯的強度相當於目前最好的鋼材強度的100多倍,硬度甚至超過了鑽石,是目前自然界強度最大的材料,而它的密度卻很小。在室溫下,石墨烯的熱傳導率是常用的金屬導熱材料如金銀銅的十幾倍,是鋁的二十多倍。

石墨烯還具有其他一些特殊的性能,如超高的比表麵積。單原子層石墨烯的理論比表麵積可以達到驚人的2630m2/g,是活性炭的比表麵積的2~3倍,可以用於吸附和脫附各種大分子和小顆粒。石墨烯的光學透過率達到97.7%,這種特性讓石墨烯在太陽能電池的透明電極也有應用的潛力。


上述特點使得石墨烯有可能取代傳統碳材料成為一種新型的電磁波吸收材料,但不可回避的是,與其他碳係材料類似,單純石墨烯的主要電磁波衰減機製是電損耗,因而吸波性能欠佳。

因將碳材料與鐵氧體、電損耗型的金屬化合物納米粒子複合是提高吸波性能的一種有效途徑。石墨烯比表麵積大,很適合作為載體來負載納米粒子,不僅可以有效解決納米粒子分散性差、自身易團聚的難題,而且可以在納米尺度上對其結構和性能進行設計和優化,從而製備出具有特定組成、結構和性能的石墨烯基多功能複合吸波材料。

電磁波在傳播過程中遇到任何形狀的介質時,在電磁波的入射麵或界麵都會發生反射和透射現象。由於原傳播介質的波阻抗和材料的波阻抗並不匹配,就會有一部分的電磁波發生反射,而另一部分則透射進入到介質內部。阻抗越不匹配,反射的電磁波就越多。隻有當原傳播介質的波阻抗與材料的波阻抗相互匹配時,電磁波才會最大效率地入射到材料內。電磁波在材料內部傳播過程中與材料發生相互作用並被轉化為其他形式的能量(如機械能、電能和熱能等),即電磁波損耗。所以,吸波材料的吸波性能主要由兩個條件決定:一是阻抗匹配特性,即減少電磁波在材料表麵的反射或電磁波能夠最大限度地進入到材料內部;二是衰減特性,即電磁波進入到材料內部後,材料能夠對電磁波進行有效地吸收或損耗,減少電磁波的二次反射。

多組分石墨烯基吸波材料通過複合雜化粒子微結構及協同效應,並研究吸波材料的負載密度、形貌、結構、各組份成份含量以及各組份之間的協同效應對其電磁參數的影響,同時利用石墨烯的特殊結構以及石墨烯與納米粒子複合所帶來的特殊性質所造成的界麵極化、電子弛豫極化和偶極子極化等效應來損耗電磁波,獲得了具備多種電磁波損耗機製且性能可調的質輕、高強、寬頻吸波材料結構體係。