电磁波吸收用石墨烯基纳米材料发展现状分析

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  目前,国内外传统的隐身涂料仍以强吸收为主要目标,存在大量突出问题有待解决。新型吸波材料要求满足“薄、轻、宽、强”,则需要加强基础研究,明确其吸收机理,探索提高吸收性能的有效途径,同时尽快开展应用,积累数据和经验,充分发挥其各自的独特优势,尽快走向实用化。未来吸波材料应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求,以适应日趋恶劣的未来战场。
  纳米吸波材料是指组成材料的成分尺寸在1~100nm之间的吸波材料,它的机理是微波场的作用,加快了纳米材料中粒子的运动速度,从而使材料被磁化,发生能量的转变(电磁能转化为热能),起到较弱或者消除电磁波的效果。常见的纳米吸波材料有碳型吸波材料、金属纳米吸波材料等,但是单一的纳米吸波材料的应用受到了限制,已有研究表明将几种物质进行复合而成的纳米吸波材料,其吸波性能得到很大的提升。
  钴铁氧体磁性纳米颗粒具有独特的磁性质、物理性质和化学性质,可以广泛应用在磁记录介质、颜料、磁传感器等领域。复数磁导率μ是微波吸收剂重要的影响因素,由于钴铁氧体磁性纳米颗粒在4.0~8.0GHz和12~18GHz频率范围内保持很高的μ值,因而可以作为一种微波吸收剂使用。石墨烯具有优异的热学和电学性能,将其与钴铁氧体磁性纳米粒子复合,制备石墨烯基磁性纳米颗粒复合材料。这种材料电磁波的损耗性能得以提升,具有磁损耗和介电损耗特性,而且所制备的材料质量较轻、吸波能力强,在微波吸收领域具有非常好的发展趋势[1]。
  现有相关方面的研究指出,可通过气相扩散法、水热法等方式制备出CoFe2O4/石墨烯复合材料,通过性能测试材料具有良好的吸波性能,但是没有研究系统性说明钴的掺杂量对钴铁氧体/石墨烯纳米复合吸波性能的影响。
  一、电磁波吸收材料简介
  21世纪以来,科学技术迅猛发展,电子设备的广泛应用给人类生活带来很大的便捷,但同时也带来了新的污染。不同频率的电磁波充斥着人们的生活,无论是军事上,还是民用上,都造成了一定的影响。因此,电磁波吸收材料的开发和研究显得尤为重要。
  在军事领域,提高武器的突击能力、防御能力和生存能力成为了各大国军事竞赛的热点。吸波材料主要应用于隐身技术方面,其目的是尽可能减弱雷达、红外等探测系统对目标的影响。雷达吸波材料是隐身材料中不可缺少的一部分,通过吸收雷达发出的电磁波,达到降低目标的反射强度和减小雷达的散射截面,进而实现隐身的效果。实现隐身主要有2个途径[2]:一是通过对飞机、舰船舰艇等武器装备的外观进行改造,减小了雷达对目标获取得到的有效面积;二是应用吸波材料吸收雷达发出的电磁波。发展隐身技术已成为各国发展国防高科技事业和在战争中获得优先权的重要手段,因此,研究和开发高性能、多频段的雷达吸波材料成为各国军事技术领域中的一个重大课题。
  在人类生活方面,手机、电脑等电子设备的使用对人体造成很大的危害。已有研究发现,当人们在使用手机时,顶部的天线会发射出高频的电磁波,人体头部受到这种辐射,会导致脑神经损伤及血液突然改变流动方向,长期下去会对人体大脑造成严重伤害。因此,将吸波材料应用在人们日常生活中对人类的健康有很大的保障。
  吸波材料是指能将投射它表面的电磁波能量进行吸收或减弱,并通过材料的介质损耗或磁损耗等方式将电磁波能量转化为热能或者其他的形式。吸波材料主要通过电损耗和磁损耗来表征材料对电磁波的吸收,电磁参数ε(ε’、ε")、μ(μ’、μ"),是表征其电磁属性的重要参数。通过设计和改变材料的电磁参数可以更好的吸收到达材料表面的电磁波。在电磁波吸收材料的设计时,一般要注意2点:①要考虑阻抗匹配问题,使通过界面进入吸波体内的电磁波尽可能多的进入吸波材料内部,从而减少反射;②考虑对已进入介质的电磁波的吸收,避免电磁波被再次返回。只有综合考虑材料的电磁参数,才能获得更好的吸波性能。
  电磁波吸收材料的种类主要分为电阻性吸波剂、电介质型吸波剂、磁介质型吸波剂,以及其他新型吸波剂材料。
  1.电阻型吸波剂
  电阻型吸波剂主要依靠介质的离子极化、电子极化和界面极化来吸收或者衰减电磁波,使电磁波的能量转换为其他形式,常见的电阻型吸波剂主要有导电炭黑和石墨,碳纤维吸收剂,碳化硅吸收剂等。
  ①导电炭黑和石墨
  已有研究表明,在吸波材料中加入炭黑,可以提高材料的介电常数,从而改善材料的吸波效果,另外,炭黑的加入,可以减小吸波层与自由空间的阻抗差值,使得吸波材料具有良好的阻抗匹配系数,减轻吸波体的质量。石墨在早期就被用作吸波材料,广泛应用在雷达隐身材料中。此外,将石墨与导电炭黑和高分子材料进行复合,可以提升复合材料的电导率,从而提升材料的吸波效果。
  ②碳纤维吸收剂
  碳纤维的质量轻、强度高,在结构隐身材料中广泛应用,由于其优异的性能,在军事设备方面发挥着重要的作用。碳纤维具有良好的导电性,与金属不同的是,碳纤维通过离子进行导电。当电磁波进入碳纤维中,由于频率的变化形成趋肤效应产生电磁损耗,造成电磁波的衰减,而且在碳纤维之间传播时,部分电磁波经散射后反射波与入射波发生相互抵消现象,从而减少电磁波的反射。
  ③碳化硅吸波剂
  碳化硅不仅具有化学性能稳定、耐高温、耐磨性好、密度小等优异性能,而且具有良好的吸波性能,对红外信号有一定的削弱作用,在多层吸波体中既可用作透波层,也可用作损耗层。利用先驱体转化法制备的碳化硅纤维具有优异的耐高温性能,可在1 000℃上使用,它与基体的相容性较好,而且在高频段的吸波性能比较优异。虽然碳化硅纤维优点较多,但是其吸波效率低限制了它的广泛应用,可以通过掺杂处理或者作为金属基、陶瓷基和树脂基复合材料的增强纤维,从而提升其吸波性能。
  2.电介质型吸波剂
  空间电荷极化、取向极化、离子极化及电子极化均存在介电驰豫现象,电介质型吸波剂主要通过弛豫损耗来吸收电磁波,主要以钛酸钡铁电陶瓷等为代表。电介质型吸波剂主要有氮化硅和氮化铁等。

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