哈尔滨工业大学夏龙Chemical Engineering Journal：石墨烯基磁性复合吸波材料

【引言】

近年来，现代科学技术飞速发展，大量的电子通信设备得到了广泛的应用。虽然电子设备便利了人类的生活，但是设备在运行过程中会产生许多电磁辐射，危及生产和生活，导致电磁污染。这不仅会影响各种电子设备的正常运行，还会对人体健康造成长期的危害。因此，研究人员一直在积极探索高性能、轻便的微波吸收器来衰减电磁波。磁性材料一直是吸波材料的热门研究对象。四氧化三铁是最常用的一种磁损耗型材料，主要通过自然共振和畴壁共振的方式衰减电磁波。铁氧体吸收剂具有原材抖广泛、成本低廉、抗蚀能力强、吸收强度大和无毒等优点，但是其密度大且高温特性差。单一传统的铁氧体吸波材料不能满足对吸波材料提出的“厚度薄、频带宽、质量轻、吸收强”的要求，最近研究人员通过将Fe₃O₄与其他吸波材料复合来改善其电磁波吸收性能。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学夏龙副教授课题组将透波材料与吸波材料相结合，研究设计了一种作用于电磁波吸收的多重透射-吸收机制，并通过三步法成功制备Fe3O4@LAS/RGO复合吸波材料。当吸收体厚度为2.1 mm时，材料的最小反射损耗(RL)在12.4 GHz处为-65 dB，RL值小于-10 dB的有效吸收带宽为4 GHz(10.7-14.7 GHz)。锂铝硅微晶玻璃的添加有助于介电损耗和磁损耗的协同作用，并更好地满足阻抗匹配。该材料的合成将为新型高性能微波吸收器的设计带来新思路。成果以“Fe₃O₄@LAS/RGO composites with a multiple transmission-absorption mechanism and enhanced electromagnetic wave absorption performance”为题发表在Chemical Engineering Journal上。第一作者为哈尔滨工业大学硕士研究生杨亚楠。该研究得到了泰山学者项目（ts201511080），国家自然科学基金（51672059），哈尔滨工业大学自然科学研究基金（HIT.NSRIF .2014129）等基金资助。

【图文导读】

图1. Fe₃O₄@LAS/RGO的制备过程图

图2. 复合材料组分表征(a)RGO,Fe₃O₄和Fe₃O₄@LAS/RGO的XRD图

(b) RGO和Fe₃O₄@LAS/RGO的拉曼谱图

图3.复合材料SEM分析

(a,b)Fe₃O₄@LAS二元材料的SEM图

(c-e)Fe₃O₄@LAS/RGO的SEM图

(f) Fe₃O₄@LAS/RGO的EDX图

(g-i)对应的元素分布图

图4.复合材料TEM分析

(a)Fe₃O₄的TEM图

(b)Fe₃O₄@LAS二元材料的TEM图

(c-f)Fe₃O₄@LAS/RGO的TEM图

(g,h)Fe₃O₄@LAS/RGO的HRTEM图

(i)对应的选区电子衍射图

图5.复合材料电磁参数

(a)Fe₃O₄@LAS/RGO相对复介电常数的实部

(b)Fe₃O₄@LAS/RGO相对复介电常数的虚部

(c)Fe₃O₄@LAS/RGO相对复磁导率的实部

(d)Fe₃O₄@LAS/RGO相对复磁导率的虚部

(e)Fe₃O₄@LAS/RGO的介电损耗角正切

(f)Fe₃O₄@LAS/RGO的磁损耗角正切

图6.复合材料反射损耗曲线图

Fe₃O₄@LAS/RGO在1-5.5 mm厚度对电磁波的反射损耗与频率的关系曲线图：(a)FLR-1, (b)FLR-2, (c)FLR-3, (d)FLR-4, (e)FLR-5, (f)FLR-10

图7.复合材料吸波性能改进对比

(a)Fe₃O₄/RGO的反射损耗

(b)Fe₃O₄@LAS/RGO的反射损耗

(c)Fe₃O₄的有效输入阻抗

(d) Fe₃O₄/RGO, Fe₃O₄@LAS/RGO的有效输入阻抗

图8. Fe₃O₄@LAS/RGO的吸波机理

【小结】

本文报道三步法成功制备了拥有优异吸波性能的Fe₃O₄@LAS/RGO复合材料，材料的反射损耗在12.4 GHz处达到-65 dB，且仅需要2.1 mm的匹配厚度。在该厚度下其RL<-10 dB（超过90%吸收）达到了4 GHz(10.7-14.7 GHz)，材料在各频段均表现出了很好的吸波性能。作者认为Fe₃O₄@LAS/RGO复合材料之所以具备优异的吸波性能，是复合材料中Fe₃O₄、LAS、RGO组分的本征性能和材料的复合结构共同作用的结果。纳米Fe₃O₄粒子作为复合材料的主要吸波剂，通过磁损耗来吸收电磁波；石墨烯表面产生了大量的缺陷会产生极化弛豫消耗电磁波；引入了LAS这种透波材料，有效地平衡了材料的介电常数和磁导率，提升了复合材料的阻抗匹配，从而促进了复合材料的吸波性能；复合材料的多组分结构使得材料分子内部产生了多重界面（如Fe₃O₄/RGO、Fe₃O₄/LAS、LAS/RGO），多重界面在电磁场中会发生界面极化现象。

【作者简介】

夏龙，哈尔滨工业大学（威海）材料科学系系主任，博士，副教授,硕士生导师。山东省复合材料学会常务理事，山东省陶瓷专家委员会委员。主要的研究玻璃陶瓷的溶胶凝胶法合成、负膨胀微晶玻璃材料、纤维增强陶瓷基复合材料的研究工作。主持国家自然科学基金、国防配套项目、航天创新基金、军品横向等多项课题。承担陶瓷基复合材料连接环、透波陶瓷罩体等多个关键部件的研发工作。获黑龙江省自然科学一等奖和省高校科技进步奖各一项。在Acta Mater、Corrosion Sci、J. Euro Ceram Soc. Ceram Int、Mater Lett等国际期刊上发表SCI收录论文40余篇。获得8项国家发明专利授权。

近期团队在该领域相关工作

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)

文献链接：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)