内蒙古工业大学高晓平教授团队：超蓬松掺杂石墨烯气凝胶复合材料的制备及其吸波性能

基本信息

作者：任培永, 陈淼, 赵科, 高晓平*

单位：内蒙古工业大学　轻工与纺织学院

收稿日期：2023-12-04；录用日期：2024-01-12

基金项目：国家自然科学基金(12362012；51765051)；内蒙古自然科学基金(2017MS0102)；内蒙古科技计划项目(2020GG0282)；内蒙古高等学校支持科技领军人才和创新团队建设(JY20230103)

关键词：复合材料；镍锌铁氧体；石墨烯气凝胶；核壳结构；吸波性能

研究成果

目的：

随着电子通讯技术的快速发展，电磁污染问题也愈发严重，对人民的健康和精密仪器的使用都造成了不利影响，解决电磁污染问题迫在眉睫，因此对高吸收强度的吸波材料的需求越发急迫，同时也对吸波材料的设计提出了更高要求。传统单组分磁性或者碳基吸波材料存在吸收强度低、吸收带宽窄等缺点，不能满足当前对高效吸波材料的要求。近年来，通过合理的结构设计、构建复合材料在提升磁性材料或者碳基材料的阻抗匹配和损耗性能方面取得了显著的进步。但是，目前所报道的复合吸波材料仍然存在着匹配厚度大、吸波性能不够高、制备过程繁杂等问题，因此，探索简单易行的合成方法、实现成分和微结构可调、制备出轻质高效的吸波复合材料，具有重要的研究意义和应用价值。

方法：

本文基于电磁损耗理论、多组分协同损耗和三维多孔气凝胶构筑的设计策略，以氧化石墨烯（GO）、超细镍锌铁氧体粉末（NiZnFe2O4）、高锰酸钾（KMnO4)为原材料，采用水热法在NiZnFe2O4表面生长多级纳米结构MnO2壳层，制得核壳式NiZnFe2O4@MnO2复合微球。通过水热自组装、冷冻干燥和高温热处理，使NiZnFe2O4@MnO2复合微球稳定附着在石墨烯气凝胶上，制备出三维多孔结构且电磁协同、阻抗系数可调控的石墨烯基复合气凝胶（NiZnFe2O4@MnO2/GA）粉体。

结果：

实验测试了复合气凝胶的吸波特性，分析了热处理温度和磁掺杂量对复合气凝胶吸波性能的影响机理及规律。结果可知，热处理温度为300 ℃，镍锌铁氧体掺杂量为15 wt%时，复合气凝胶吸波效果最优。在厚度为2.9 mm时，NiZnFe2O4@MnO2/GA在频率为8.72 GHz处现出了最强的损耗能力，RLmin达到了-47.27 dB，EAB为3.2 GHz（7.36-10.56 GHz）覆盖了X波段的大部分。在厚度为2.0 mm时，材料最宽的EAB为5.6 GHz（11.68-17.28 GHz）几乎完全覆盖Ku波段。另外，材料的匹配厚度在1.5-5.0 mm之间时，对电磁波均表现出不错的吸收效果，RLmin均达到了-10 dB以下。实验将介电材料与磁性材料相结合，制得复合吸波材料，两类材料在性能上取长补短，产生电磁协同效应，既提升了材料的阻抗匹配性，又优化了各组分的吸波效能。所制备的石墨烯基复合气凝胶粉末在保留了气凝胶三维网状结构的同时，大大降低了气凝胶的空间尺寸，赋予材料更多的应用场景，并且解决了石墨烯片层之间易团聚的缺点。实验研究了粉体的微观结构、物相组成、吸波效果，揭示材料电磁损耗机制，实现了低反射、高吸收的目的，从而为制备出轻质高效的吸波复合材料提供理论和实践指导。

结论：

本文以氧化石墨烯、镍锌铁氧体、高锰酸钾为主要原料采用水热法制备了由NiZnFe2O4@MnO2核壳结构掺杂的石墨烯气凝胶粉末。研究了GA热处理温度和NiZnFe2O4掺杂比对GA吸波性能影响规律和损耗机制，得到了如下结论。

（1）经热处理后GA分子中含氧官能团被消耗，缺陷和褶皱被修复，材料的结构变得相对完整和有序，材料电导损耗提升，极化弛豫损耗降低。掺杂NiZnFe2O4后，复合气凝胶的介电损耗能力和磁损耗能力都得到了提升，有效提高了气凝胶的综合损耗能力。当复合气凝胶的热处理温度为300 ℃，NiZnFe2O4@MnO2复合微球的掺杂比为15 wt%时，NiZnFe2O4@MnO2/GA表现出最优异的吸波性能，在频率为8.72 GHz处现出了最强的损耗能力，RLmin达到了-47.27 dB，EAB为3.2 GHz。

（2）石墨烯气凝胶的三维多孔结构促使电磁波发生多次反射和散射，同时也诱发了界面极化，提高材料的电磁波吸收能力；适当温度的热还原处理，可以在提高气凝胶电导损耗的同时，维持住原有的极化弛豫损耗，提升综合损耗能力；在GA基体中引入磁性核壳微球，解决了GA阻抗难以匹配的问题，增强了界面极化，增加了材料内部的缺陷，产生了更强烈的极化弛豫效应，大大增强了复合材料的电磁损耗能力；同时具有良好介电性能的MnO2壳层，增强了复合微球的电导损耗，激发了核与壳之间的界面极化，另外核壳结构对磁性金属起到了很好的保护作用，保证了复合材料在复杂工况下的稳定性。

综上所述，NiZnFe2O4@MnO2/GA复合材料设计合理，吸波性能良好，极具发展潜力。

作者团队简介

第一作者

任培永

任培永，硕士，研究方向为纺织基电磁屏蔽复合材料。

通信作者

高晓平

高晓平，博士，教授，博士生导师，研究方向为功能纺织品与风电叶片用复合材料。

引用格式：

任培永, 陈淼, 赵科, 等. 超蓬松掺杂石墨烯气凝胶复合材料的制备及其吸波性能[J]. 复合材料学报, 2024, 41(10): 5375-5388.