新加坡国立大学《JMCA》：机械介电优化的石墨烯气凝胶，具有应变可调微波衰减和屏蔽功能

成果简介

电子设备的广泛使用极大地改善了人类的活动，但同时也引发了对微波辐射污染的担忧，因此需要能够有效衰减或屏蔽这种辐射的材料。针对这一问题，本文，新加坡国立大学Yijing Zhao、Wei Zhai等研究人员在《JMCA》期刊发表名为“Mechanical-dielectric optimized graphene aerogels with strain-tunable microwave attenuation and shielding functions”的论文，研究开发出了创新型石墨烯气凝胶（SCGAs），这种气凝胶融合了碳化硅纳米线和碳纳米管，具有受自然启发而形成的桥乳状微结构。这些气凝胶的介电性能和机械性能都经过了优化，可实现应变可调的微波衰减和屏蔽功能。

具体来说，我们的SCGA具有出色的微波衰减性能，最小反射损耗为 -51.6 dB，有效衰减带宽为7.62GHz，当压缩至 80% 时，可转换为屏蔽模式，屏蔽效果约为 50.1 dB。这种应变响应行为随着时间的推移保持稳定，即使在 1000 次压缩循环后，衰减也微乎其微，显示出卓越的长期耐用性。此外，应变梯度策略允许定制低反射屏蔽应用，陶瓷/碳成分确保了对恶劣环境条件的卓越耐受性。我们的研究引入了一种新颖的解决方案，可在广泛的频率范围内提供有效的微波辐射防护，有望应用于各种高科技领域。

图文导读

图1、(a) SCGA 的制造过程示意图。(b) 超轻 SCGA 立在花朵上的光学图像。(c-e) SCGA-2 样品的 SEM 图像。(f) CGA 和 SCGA 的 XRD 图样和 (g) 拉曼光谱。(h) 和 (i) 一片混合石墨烯片的EDS图谱。

图2、 (a) SCGA 具有极佳弹性的照片。(b) SCGA 的弹性机理图。(c) SCGA-2 在 40%、60% 和 80%应变时的压缩应力-应变（σ-ε）曲线。(d) 60% 应变时 SCGA-2 的循环压缩σ-ε曲线和 (e) 1000次循环的应力保持。(f) SCGA-2在不同压缩应变下的电导率变化。(g) 基于SCGA-2微结构演变的应变可调电导机制图解。(h) 通过压缩和释放气凝胶来调整电路电阻，从而定制LED的亮度 (i)。气凝胶在不同应变下的实时相对电阻变化（ΔR/R0）记录。

图3、 与频率相关的电磁参数包括 (a) ε′ (b) ε′′、(c) Δε′ 和 Δε′′、(d) tan δ 以及 (e) CGA 和 SCGA 的 Cole-Cole 曲线。SCGA-2 样品的 RL 值随频率和厚度变化的 (f) 三维图、(g) 二维等值线图和 (h) 二维图。与频率有关的 (i) 衰减常数 α 和 (j) CGA 和 SCGA 的阻抗匹配比 Zin/Z0。(k) SCGA-2 的 α、Zin/Z0 和 RL 曲线比较。(l) SCGA-2 与已报道的石墨烯/碳基气凝胶在 EAB 和厚度方面的 MA 性能比较。(m）RCS 模拟模型。(n) PEC 和 (o) SCGA-2 的 3D RCS 模拟图。(p) PEC、CGA 和 SCGA 的 RCS 模拟值，扫描角度范围为 -60° 至 60°。(q) SCGA 的 MA 机制示意图。

图4、(a) SCGA 的应变可调 MA/MS 转换机制示意图。(b) 不同压缩应变下样品 SCGA-2 的总屏蔽效能（SETOL）和（c）吸收屏蔽效能（SEA）。(d) 样品 SCGA-2 在不同压缩应变下的平均屏蔽效能。(e) 不同压缩应变下 SCGA-2 与微波相互作用时的模拟 |S21|、电场强度和微观结构演变。(f) 20%、(g) 40%、(h) 60% 和 (i) 80% 压缩应变下 SCGA-2 的功率系数 R/A/T。(j) 应变可调梯度低反射模型示意图。(k) 梯度低反射样品的屏蔽效能值、(l) 功率系数和 (m) 模拟电场强度。

图5、 (a) 气凝胶在 50%压缩应变下 1000 次循环的循环ΔR/R0。气凝胶在 100/1000 次压缩循环前后随频率变化的电磁参数，包括（b）ε′和（c）ε′。(d) 100 次和 (e) 1000 次压缩循环后气凝胶的 RL 值随频率和厚度变化的二维等值线图。(f）气凝胶在 100/1000 次压缩循环前后不同压缩应变下的电导率。(g) 100/1000 次压缩循环前后，气凝胶在 0% 和 80% 应变下的 SEtol。(h) 100/1000 次压缩循环前后气凝胶的平均屏蔽效能。(i) 气凝胶在 100 ℃ 和 300 ℃ 加热板上的红外热图像。(j) 用火焰枪加热鲜花时，有无气凝胶作为隔热材料的数码照片。(k) 通过气凝胶的乙醇吸收-燃烧测试循环说明其耐火特性。(l) 气凝胶和钢块放在零下 60 摄氏度的冷冻板上的数码照片。(m) 气凝胶在液氮（-196 °C）中的弹性数码照片。(n) SCGA 的水接触角、表面水滴的光学图像以及气凝胶的湿度测试。(o）SCGA-2 在 40%、60% 和 80% 应变条件下进行苛刻条件处理后的σ-ε 曲线。(p）RL 值随频率和厚度变化的二维等值线图；（q）SCGA-2 经过苛刻条件处理后在 80% 应变下的 SE 值。(r）近年来 SCGA 与微波兼容气凝胶/泡沫相比的整体升值雷达图。

小结

总之，本研究通过开发用于动态应变可调 MA/MS 兼容性的碳化硅纳米线/碳纳米管/石墨烯气凝胶 (SCGA)，提出了一种驾驭复杂微波辐射环境的新策略。利用双向冷冻铸造方法，SCGAs 协同装配了碳化硅纳米线、碳纳米管和石墨烯薄片，实现了介电和机械性能的同步优化。这种集成方法优化了 SCGA 内部的阻抗匹配和极化损耗，从而实现了卓越的性能指标，包括 2.05 mm 时的 RLmin 为 -51.6 dB，2.45mm 时的 EAB 为 7.62 GHz，以及大幅减少的雷达截面，这标志着它们在无应变 MA 状态下的效率。碳化硅纳米线和碳纳米管提供的结构加固以及先进的有序桥-拉米尔结构显著增强了 SCGA 的机械弹性和应变敏感导电性。

施加压缩应变时，混合石墨烯层之间的导电互连得到增强，实现了从 MA 到 MS 状态的动态转换，在 80% 应变时，SETOL 达到 50.1 dB。此外，我们的创新应变可调方法通过梯度设计促进了低反射微波屏蔽，将气凝胶从上到下排列成应变不断增加的 20%、40%、60% 和 80%，体现了绿色屏蔽的概念。此外，SCGA 的应变可调微波衰减和屏蔽性能在经过 1000 次压缩循环后仍表现出极小的衰减，突出表明其具有优异的长期压缩循环稳定性，这可归功于经过优化的稳健的三维导电网络。此外，SCGAs 的陶瓷/碳混合成分进一步增强了其卓越的环境耐受性，包括隔热性和对火灾、霜冻、雨水、潮湿和低温等极端条件的耐受性，从而扩大了其在恶劣环境中的适用性。因此，这项工作代表着智能微波兼容材料向前迈进了一步，将高效微波衰减和屏蔽与增强的机械和环境鲁棒性融为一体。这一进展为设计满足日益复杂的电磁环境需求的智能多功能材料提供了指导。

文献：https://doi.org/10.1039/D4TA06820C