成果简介
经济、绿色地制备具有可调微波吸收特性的碳化硅复合材料对于工业应用至关重要。本文，清华大学刘光华、北京科技大学陈克新 等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Combustion synthesis of SiC/graphene nanocomposites with strong microwave absorption”的论文，研究以温室气体二氧化碳为碳源，通过燃烧合成技术合成了碳化硅/石墨烯纳米复合材料。研究表征了 SiC/石墨烯纳米复合材料的相组成、微观结构和微波吸收性能。通过改变碳化硅/石墨烯纳米复合材料的组成，可以同时精确控制介电性能和阻抗匹配。SiC/石墨烯纳米复合材料具有多层石墨烯薄片网络的微观结构特征，这对改善微波衰减能力具有重要作用。具有优化成分和微观结构的SiC/石墨烯纳米复合材料样品表现出优异的微波吸收性能，在6.15GHz时的反射损耗（RL）为 -63.94dB，RL<-10dB时的有效吸收带宽（EAB）为4.05GHz。具有强微波吸收性能的碳化硅/石墨烯纳米复合材料在各个领域都有广阔的应用前景。
图文导读
图1. 碳化硅/石墨烯纳米复合材料的燃烧合成示意图。
图2. 合成产物（a）和碳化硅/石墨烯纳米复合材料（b）的 XRD 图样。图中还显示了初始碳化硅粉末的 XRD 图样，以作对比。各相的 PDF 卡号分别为：β-SiC（#04-003-3260）、α-SiC（#00-029-1126）、石墨烯（#00-056-0159）、MgSiO3（#97-015-9566）、MgSiO4（#00-004-0768）和 MgO（#04-008-8462）。碳化硅/石墨烯纳米复合材料的拉曼光谱 (c) 以及 ID/IG 比率与起始成分中镁含量的函数关系 (d)。
图3、XPS survey spectra (a-f and a1-f1) of SiC/graphene nanocomposites and mass loss (g) as a function of Mg content in the starting compositions: (a, a1) SiC-10; (b, b1) SiC-20; (c, c1) SiC-30; (d, d1) SiC-40; (e, e1) SiC-50; (f, f1) SiC-60.
图4、 SEM images with EDS results of SiC/graphene nanocomposites: (a) SiC; (b) N-SiC-10; (c) EDS spectrum of the large round particle marked with “MgSiO3” in (b); (d) SiC-10; (e) SiC-30; (f) SiC-50.
图5. Schematic of formation mechanism of SiC/graphene nanocomposites.
图6、The Two-dimensional and three-dimensional plots of the RL as function of frequency and thickness of SiC/graphene nanocomposites: (a, a1) SiC-10; (b, b1) SiC-20; (c, c1) SiC-30; (d, d1) SiC-40; (e, e1) SiC-50; (f, f1) SiC-60.
图7、Schematic of the microwave-absorbing mechanisms for SiC/graphene nanocomposites.
小结
采用燃烧合成技术制备了碳化硅/石墨烯纳米复合材料，并研究了镁含量对纳米复合材料微观结构和微波吸收性能的影响。通过改变石墨烯的含量可以调节纳米复合材料的介电性能。纳米复合材料介电性能的最佳镁含量为 60 wt%。厚度为 4.5 mm 的纳米复合材料在 6.15 GHz 时的 RLmin 为 -63.94 dB，EAB 为 4.05 GHz。这种优异的性能归功于纳米复合材料良好的阻抗匹配能力、独特的异质结构和起皱的石墨烯网络，它们有助于产生强大的介质损耗、导电损耗和多重散射。这项研究为大规模、环保地生产高性能、无磁性 SiC基微波吸收材料提供了有效策略，为微波吸收技术的产业化发展奠定了基础。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119849
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