哈爾濱工業大學夏龍Chemical Engineering Journal：石墨烯基磁性復合吸波材料

【引言】

近年來，現代科學技術飛速發展，大量的電子通信設備得到了廣泛的應用。雖然電子設備便利了人類的生活，但是設備在運行過程中會產生許多電磁輻射，危及生產和生活，導致電磁污染。這不僅會影響各種電子設備的正常運行，還會對人體健康造成長期的危害。因此，研究人員一直在積極探索高性能、輕便的微波吸收器來衰減電磁波。磁性材料一直是吸波材料的熱門研究對象。四氧化三鐵是最常用的一種磁損耗型材料，主要通過自然共振和疇壁共振的方式衰減電磁波。鐵氧體吸收劑具有原材抖廣泛、成本低廉、抗蝕能力強、吸收強度大和無毒等優點，但是其密度大且高溫特性差。單一傳統的鐵氧體吸波材料不能滿足對吸波材料提出的“厚度薄、頻帶寬、質量輕、吸收強”的要求，最近研究人員通過將Fe₃O₄與其他吸波材料復合來改善其電磁波吸收性能。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學夏龍副教授課題組將透波材料與吸波材料相結合，研究設計了一種作用于電磁波吸收的多重透射-吸收機制，并通過三步法成功制備Fe3O4@LAS/RGO復合吸波材料。當吸收體厚度為2.1?mm時，材料的最小反射損耗(RL)在12.4?GHz處為-65?dB，RL值小于-10?dB的有效吸收帶寬為4?GHz(10.7-14.7?GHz)。鋰鋁硅微晶玻璃的添加有助于介電損耗和磁損耗的協同作用，并更好地滿足阻抗匹配。該材料的合成將為新型高性能微波吸收器的設計帶來新思路。成果以“Fe₃O₄@LAS/RGO composites with a multiple transmission-absorption mechanism and enhanced electromagnetic wave absorption performance”為題發表在Chemical Engineering Journal上。第一作者為哈爾濱工業大學碩士研究生楊亞楠。該研究得到了泰山學者項目（ts201511080），國家自然科學基金（51672059），哈爾濱工業大學自然科學研究基金（HIT.NSRIF?.2014129）等基金資助。

【圖文導讀】

圖1. Fe₃O₄@LAS/RGO的制備過程圖

圖2. 復合材料組分表征(a)RGO,Fe₃O₄和Fe₃O₄@LAS/RGO的XRD圖? ??

(b) RGO和Fe₃O₄@LAS/RGO的拉曼譜圖

圖3.復合材料SEM分析

(a,b)Fe₃O₄@LAS二元材料的SEM圖

(c-e)Fe₃O₄@LAS/RGO的SEM圖

(f) Fe₃O₄@LAS/RGO的EDX圖

(g-i)對應的元素分布圖

圖4.復合材料TEM分析

(a)Fe₃O₄的TEM圖

(b)Fe₃O₄@LAS二元材料的TEM圖

(c-f)Fe₃O₄@LAS/RGO的TEM圖

(g,h)Fe₃O₄@LAS/RGO的HRTEM圖

(i)對應的選區電子衍射圖

圖5.復合材料電磁參數

(a)Fe₃O₄@LAS/RGO相對復介電常數的實部

(b)Fe₃O₄@LAS/RGO相對復介電常數的虛部

(c)Fe₃O₄@LAS/RGO相對復磁導率的實部

(d)Fe₃O₄@LAS/RGO相對復磁導率的虛部

(e)Fe₃O₄@LAS/RGO的介電損耗角正切

(f)Fe₃O₄@LAS/RGO的磁損耗角正切

圖6.復合材料反射損耗曲線圖

Fe₃O₄@LAS/RGO在1-5.5 mm厚度對電磁波的反射損耗與頻率的關系曲線圖：(a)FLR-1, (b)FLR-2, (c)FLR-3, (d)FLR-4, (e)FLR-5,?(f)FLR-10

圖7.復合材料吸波性能改進對比

(a)Fe₃O₄/RGO的反射損耗

(b)Fe₃O₄@LAS/RGO的反射損耗

(c)Fe₃O₄的有效輸入阻抗

(d) Fe₃O₄/RGO, Fe₃O₄@LAS/RGO的有效輸入阻抗

圖8.?Fe₃O₄@LAS/RGO的吸波機理

【小結】

本文報道三步法成功制備了擁有優異吸波性能的Fe₃O₄@LAS/RGO復合材料，材料的反射損耗在12.4?GHz處達到-65?dB，且僅需要2.1?mm的匹配厚度。在該厚度下其RL<-10?dB（超過90%吸收）達到了4?GHz(10.7-14.7?GHz)，材料在各頻段均表現出了很好的吸波性能。作者認為Fe₃O₄@LAS/RGO復合材料之所以具備優異的吸波性能，是復合材料中Fe₃O₄、LAS、RGO組分的本征性能和材料的復合結構共同作用的結果。納米Fe₃O₄粒子作為復合材料的主要吸波劑，通過磁損耗來吸收電磁波；石墨烯表面產生了大量的缺陷會產生極化弛豫消耗電磁波；引入了LAS這種透波材料，有效地平衡了材料的介電常數和磁導率，提升了復合材料的阻抗匹配，從而促進了復合材料的吸波性能；復合材料的多組分結構使得材料分子內部產生了多重界面（如Fe₃O₄/RGO、Fe₃O₄/LAS、LAS/RGO），多重界面在電磁場中會發生界面極化現象。

【作者簡介】

夏龍，哈爾濱工業大學（威海）材料科學系系主任，博士，副教授,碩士生導師。山東省復合材料學會常務理事，山東省陶瓷專家委員會委員。主要的研究玻璃陶瓷的溶膠凝膠法合成、負膨脹微晶玻璃材料、纖維增強陶瓷基復合材料的研究工作。主持國家自然科學基金、國防配套項目、航天創新基金、軍品橫向等多項課題。承擔陶瓷基復合材料連接環、透波陶瓷罩體等多個關鍵部件的研發工作。獲黑龍江省自然科學一等獎和省高校科技進步獎各一項。在Acta Mater、Corrosion Sci、J. Euro Ceram Soc. Ceram Int、Mater Lett等國際期刊上發表SCI收錄論文40余篇。獲得8項國家發明專利授權。

近期團隊在該領域相關工作

Xia L, Yang Y N, Zhang X Y, et al. Crystal structure and wave-transparent properties of lithium aluminum silicate glass-ceramics, Ceram. Int. 44 (2018) 14896-14900. (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.202)

Xia L, Zhang X Y, Yang Y N, et al. Enhanced electromagnetic wave absorption properties of laminated SiC_NW-C_f/lithium-aluminume-silicate (LAS) composites, J. Alloys Compd. 748 (2018) 154-162. (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.044)

文獻鏈接：Yang Y N, Xia L, Zhang T, et al. Fe₃O₄@LAS/RGO Composites with a Multiple Transmission-Absorption Mechanism and Enhanced Electromagnetic Wave Absorption Performance, Chem. Eng. J.?352 (2018) 510-518. (https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.07.064)

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