随着新型多波段和宽带电子仪器的蓬勃发展，开发具有宽带电磁吸收能力的高性能微波吸收材料已成为迫切需求，以有效消除医疗保健、电子安全和国防信息安全中的电磁污染。在电磁微波吸收材料中，还原氧化石墨烯 (rGO) 由于其优异的介电性能可调性而被广泛研究。尤其是rGO海绵材料能在高频范围内表现出非常出色的电磁吸收性能。然而，由于很难在良好的界面阻抗匹配和强介电损耗之间取得平衡，因此在低频（2-4 GHz）下实现理想的电磁吸收特性仍然是一个巨大的挑战。
哈尔滨工业大学李宜彬教授、北京理工大学黄怿行副教授等人报道了基于具有不同单元形状的rGO海绵的电磁吸收超材料。作者通过实验和模拟探索了单元形状和电磁吸收性能之间的关系，发现截头锥体形状的超材料表现出超宽带电磁吸收性能，能在2.4-40GHz对电磁波进行有效吸收（反射损耗低于-10dB）。在2-40 GHz频段内，其平均吸收强度高达-22.9 dB。同时，即使入射角从5°增加到40°，其反射损耗也几乎不变，展现出优异的阻抗匹配和强大的介电损耗。该截头锥体状的超材料在宽带电磁防护应用中具有广阔的前景。该研究以题为“Achieving Super Broadband Electromagnetic Absorption by Optimizing Impedance Match of rGO Sponge Metamaterials”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【石墨烯海绵的制备与性能】
作者先将GO溶液倒入模具中，冷冻干燥5天后，通过水合肼蒸汽将GO还原以产生不同形状（球体、立方体、六棱柱和截头锥体）的rGO海绵（图1）。四种rGO海绵随后被组装成具有周期性排列的超材料（图2a）。作者使用电弧法测量了2-40 GHz频率范围内几种超材料的反射损耗，发现不同单元形状的超材料的电磁吸收特性明显不同。其中，截头锥体状的超材料表现出最好的电磁吸收性能，可以在-10 dB以下实现2.4-40 GHz的有效电磁吸收。与其他纯碳超材料或碳/磁性复合超材料相比，该超材料具有轻质和宽带吸收特性的优点，其在6.4-38.3 GHz频率范围内吸收率超过99%，远优于其他超材料的带宽。尤其在2-40 GHz频段内，其平均吸收强度高达-22.9 dB。同时，即使入射角从5°增加到40°，其反射损耗也几乎不变（图2c）。
图1石墨烯海绵合成过程示意图
图2 电磁吸收性能
【宏观结构的影响机制】
为了确定宏观结构对电磁吸收的影响机制，作者模拟了各结构共振峰处的电场强度时均振幅分布和电磁损耗分布。对于球状海绵，电场和功率损耗仅分布在顶部表面区域，表明入射微波无法传播到晶胞中。对于立方体海绵，电场集中在晶胞内部，但立方体缺乏梯度阻抗设计，其高频吸收差。六棱柱海绵与立方体海绵具有相似的吸收性能。对于截头锥体状海绵，在低频时在晶胞顶部和内部区域发现明显的电场集中，表明入射微波能进入内部以增加能量耗散。在高频下发现晶胞侧面和顶部区域的电场集中，表明高频微波没有被内部rGO网络反射和吸收。截头锥体状的梯度阻抗设计对低频和高频范围的吸收都有积极的影响。因此，其吸收效率远优于其他形状，这也揭示了阻抗匹配在电磁吸收中起着至关重要的作用。
图3复杂电场强度时均振幅分布和功率损耗分布
【电磁吸收机制】
作者基于上述实验和模拟分析，从多尺度的角度揭示了该超材料的电磁吸收机制（图4）。在宏观尺度上，良好的阻抗匹配受益于阻抗梯度结构，截头锥体形状提高了晶胞对空气的阻抗，从而减少了电磁反射，但不会削弱超材料的电磁能量衰减能力。因此，截头锥体形状的设计有效地扩展了吸收带宽。在细观尺度上，该超材料具有丰富的孔隙结构，且孔隙大小不同，导致电磁波的多次反射和吸收，增强了电磁吸收。在微观尺度上，主要是源于电子移动的电导损耗、rGO的界面极化以及rGO上偶极子的偶极极化弛豫的相互作用。因此，该超材料通过上述多尺度微波损耗机制实现了广谱高强度电磁吸收。
图4 超材料的多尺度电磁吸收机制
总结：作者展示了几种基于具有不同形状的rGO海绵的电磁吸收超材料。该超材料表现出超宽带和高强度电磁吸收性能，整个测试频段的平均吸收强度高达-22.9 dB。同时，即使入射角从5°增加到40°，其仍能保持优异的电磁吸收性能。作者还从理论上证明了阻抗匹配特性在吸收低频电磁波方面起着重要作用，出色的阻抗匹配和多尺度损耗机制有助于实现优异的电磁吸收性能。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107508
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