材研“1-0” І 宋强教授、叶昉副教授AFM：15.46 GHz宽频！基于原位生长石墨烯超构界面的结构功能一体化宽频吸波复材

研究背景

高性能微波吸收材料在降低日益增长的电磁波污染方面发挥着重要作用。其中，二维石墨烯材料具有密度低、电导率可调谐等优点，成为“轻、薄、宽、强”吸波材料的首选。要实现电磁波的有效吸收，开发与电磁超结构技术集成的石墨烯材料是一种有效策略。目前常见的有还原氧化石墨烯海绵、蜂窝状泡沫和基于石墨烯相关材料的仿生超结构等，尽管这些材料在较宽的频率范围内表现出优秀的吸波性能，但由于厚度较大（15-30 mm）和结构强度较差（压缩强度通常小于3 MPa），严重阻碍了它们的实际应用。

为解决上述问题，西北工业大学材料学院的叶昉副教授与宋强教授团队创造性地提出通过化学气相沉积（CVD）和等离子体刻蚀工艺设计并制备基于原位生长石墨烯超构界面（GrMI）的三明治型SiO₂纤维增强氰酸酯（CE）复合材料(SiO_2f/GrMI/CE）。相关工作发表在Advanced Functional Materials上，第一作者为西北工业大学博士研究生曹雨宸（IF=18.5)。该方法制备的SiO_2f/GrMI/CE在厚度为8.78 mm时有效吸收带宽为15.46 GHz（2.54-18 GHz），层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度分别为59.3 MPa和552.7 MPa，该工作为设计更薄、更宽、更轻、更强的吸波材料提供了一条新的途径。

图文导读

图1. 通过CVD在SiO_2f表面生长Gr，通过氧气等离子刻蚀实现石墨烯超构界面层的制备（SiO_2f/GrMI）。使用电磁仿真软件进行结构设计，将具有不同周期结构单元的SiO_2f/GrMI置于中间作为损耗层，不同层数的SiO₂置于顶部、中间和底部作为介电层，制备双层三明治型纤维预制体。最后，通过加压和固化获得三明治结构型SiO_2f/GrMI/CE。

图2. 研究表明，石墨烯均匀地垂直于SiO_2f的表面生长，使用HF腐蚀SiO_2f，石墨烯形成了一种约56 nm厚的薄壁管，证明其三维连续导电网络的形成。

图3. 进一步地，使用掩膜法可以获得具有不同周期结构的损耗层图案。拉曼面扫结果显示刻蚀精度可以达到微米级。通过引入周期结构，增加上层损耗层的电磁波透射率，降低反射率。

图4. 结果表明，SiO_2f/GrMI/CE具有优秀的吸收性能，厚度为8.78 mm的复合材料的有效吸收带宽（EAB）为15.46 GHz，覆盖了整个C、X和Ku带。复合材料还表现出优异的角度和温度不敏感性，当入射角在5°~50°，温度为室温~250 oC，复合材料始终保持优异的宽频吸波性能。

图5. 此外，SiO_2f/GrMI/CE的ILSS和弯曲强度分别为59.3 MPa和552.7 MPa，分别比SiO_2f/CE提高7.2%和4.1%。该研究中提出的周期性超结构不仅表现出较宽的吸收带宽，而且在保持相对较薄的同时表现出优异的机械性能。

小结

该研究设计制备的结构功能一体化性确保了复合材料适合用于作飞机和其他民用构件的蒙皮材料，在航空航天、军事、可穿戴电子和移动通信领域具有很大的应用前景。

引用本文

Yuchen Cao, Fang Ye, Jie Liang, Lehua Qi, Ran Mo, Bo Huang, Laifei Cheng, Qiang Song

Structural-Functional-Integrated Ultra-Wideband Microwave-Absorbing Composites Based on In Situ-Grown Graphene Meta-nanointerface

Advanced Functional Materials, 2024, 2411271

https://doi.org/10.1002/adfm.202411271