碳材料是電磁屏蔽和吸波材料研究的重要內(nèi)容，對于石墨、碳纖維、碳納米管等材料的電磁屏蔽和吸收性能的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛。石墨烯具有室溫量子霍爾效應(yīng)和良好的鐵磁性，與石墨、碳纖維、碳納米管等材料相比，擁有獨特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成為一種新型有效的電磁屏蔽和微波吸收材料。

    石墨烯是單層碳原子緊密堆積而形成的一種超薄碳質(zhì)新材料，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二維材料。自2004 年英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)教授A. Geim 和K. Novoselov 等用機(jī)械剝離方法觀測到單層石墨烯，其獨特的物理性能和在電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用成為國際研究的熱點，并引起科學(xué)界新一輪“碳”熱潮。

    碳材料是電磁屏蔽和吸波材料研究的重要內(nèi)容，對于石墨、碳纖維、碳納米管等材料的電磁屏蔽和吸收性能的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛。然而，作為一種新型碳材料的石墨烯具有縱橫比、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高、比表面積大、密度低等特點，其本征強(qiáng)度高達(dá)130 GPa，常溫下的電子遷移率可達(dá)到15 000 cm2／（V · s），是目前電阻率最小的材料。并且石墨烯具有室溫量子霍爾效應(yīng)和良好的鐵磁性，與石墨、碳纖維、碳納米管等材料相比，擁有獨特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成為一種新型有效的電磁屏蔽和微波吸收材料。

    因此，以石墨烯為研究方向，結(jié)合金屬納米材料或聚合物材料，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計研制性能優(yōu)異的石墨烯復(fù)合材料，有望廣泛應(yīng)用于電磁波吸收及電磁屏蔽等民用及軍事領(lǐng)域。筆者根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究情況，重點介紹石墨烯復(fù)合材料在電磁波吸收以及電磁屏蔽領(lǐng)域中的研究進(jìn)展，并對未來石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

    石墨烯復(fù)合材料在電磁波吸收領(lǐng)域中的應(yīng)用

    隨著無線電探測技術(shù)和探測手段的發(fā)展以及其它非可見光探測技術(shù)和各種反偽裝技術(shù)的逐漸完善和應(yīng)用，傳統(tǒng)武器裝備的生存受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，研制高效吸收雷達(dá)波的輕型材料是提高武器裝備系統(tǒng)生存能力的有效途徑之一，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中最具有價值、最有效的戰(zhàn)術(shù)突防手段。可見，高性能輕型微波吸收材料研制及在武器裝備中的應(yīng)用至關(guān)重要。

    二維片狀的石墨烯具有高的比表面積（2 630 m2／g）以及特異的熱、電傳導(dǎo)功能，對微波能產(chǎn)生較強(qiáng)的電損耗。與傳統(tǒng)吸收劑相比，石墨烯材料以其優(yōu)異的電磁性能成為一種有效的新型微波吸收材料。傳統(tǒng)的鐵磁類吸收劑，如Fe，Ni，Co，F(xiàn)e3O4，Co3O4 等鐵磁性納米物質(zhì)對電磁波具有較強(qiáng)的磁損耗。

    通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，將石墨烯與此類納米粒子復(fù)合后，得到石墨烯片層中鑲嵌強(qiáng)吸收電磁波納米磁性粒子結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并且可實現(xiàn)對微波較強(qiáng)的介電損耗和磁損耗。此類復(fù)合材料將石墨烯與磁性納米粒子的優(yōu)異性能結(jié)合在一起，有效提高了石墨烯材料的磁損耗，并可顯著提高我國吸波材料的多頻譜兼容技術(shù)水平以及滿足現(xiàn)代武器裝備對于吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，是一種極有發(fā)展前途的新型吸收劑。其吸波機(jī)制主要為對微波的電導(dǎo)損耗、多重散射、界面極化、疇壁共振、電子能級分裂等。

    目前，國內(nèi)外均開展了石墨烯微波吸收特性的研究工作，但尚處于起步階段。方建軍等采用化學(xué)還原液相懸浮氧化石墨法制備了石墨烯，并研究了石墨烯材料的微波吸收性能。研究表明，當(dāng)吸波涂層厚度為1 mm 時，在7 GHz 左右反射率最大衰減值可達(dá)到–6.5 dB。為了提高石墨烯的電磁波吸收能力，將石墨烯進(jìn)行親水處理后，在石墨烯表面采用化學(xué)鍍Ni 的方法沉積納米Ni 顆粒。當(dāng)石墨烯／Ni 納米復(fù)合材料的厚度為1.5 mm 時，在12 GHz 左右的最大反射損耗為–16.5 dB，并且在9.5～14.6 GHz 頻段范圍內(nèi)的反射損耗均低于–10 dB。

    李國顯等探討了液相沉積法制備石墨烯負(fù)載不同納米磁性粒子復(fù)合材料的技術(shù)，通過微波輔助加熱方法，采用水合肼還原氧化石墨和鎳鹽得到了石墨烯負(fù)載納米Ni 粒子復(fù)合材料，測試了復(fù)合材料的電磁參數(shù)，分析了其在2～18 GHz 范圍內(nèi)的微波吸收性能。研究表明，Ni 的引入可以增加石墨烯對電磁波的磁損耗，提高復(fù)合材料的微波吸收特性。涂層厚度為2.0 mm 時，在16.3 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達(dá)到–34.4 dB，反射損耗低于–10 dB的有效吸收帶寬達(dá)到3.9 GHz。

    后續(xù)的研究表明，采用氧化還原法制備氧化石墨，經(jīng)超聲分散于水中，并在氧化石墨懸浮液中加入Fe3O4 納米粒子，利用水合肼作為還原劑，在家用微波爐中輻照反應(yīng)，得到石墨烯／Fe3O4 納米復(fù)合材料。分析了復(fù)合材料在0.1～18 GHz 頻段內(nèi)的電磁參數(shù)。當(dāng)復(fù)合材料中石墨烯和Fe3O4 納米粒子的質(zhì)量比達(dá)到10∶1、吸收層厚度在2～2.5 mm 之間時，復(fù)合材料在6.5～8.7 GHz頻段范圍內(nèi)的反射損耗均小于–20 dB。通過調(diào)節(jié)Fe3O4 粒子在復(fù)合材料中的質(zhì)量比和吸收層厚度，可使其最大反射損耗的峰值達(dá)到–49.7 dB。

    鞏艷秋等采用水熱法和超聲混合法制備了兼具介電損耗和磁損耗的石墨烯／鋇鐵氧體（BaFe12O19） 復(fù)合材料。經(jīng)球磨和水熱還原后，復(fù)合材料中石墨烯和BaFe12O19 均形成多層結(jié)構(gòu)，BaFe12O19 附著在石墨烯片層上或?qū)悠g，此結(jié)構(gòu)有利于衰減電磁波。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的含量對石墨烯／BaFe12O19 復(fù)合材料的微觀組織形貌以及材料的電磁性能有較大影響。隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力降低；同時，復(fù)合材料的反射損耗峰值降低，有效吸收帶寬減小，且反射損耗吸收峰向低頻段移動。當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 時，在12.74 GHz 有反射損耗最大值，其峰值可達(dá)到–22.98 dB，反射損耗低于–10 dB 的有效吸收帶寬達(dá)到4.26 GHz。

    Xu Huailiang 等采用溶劑熱法化學(xué)合成了石墨烯／Fe3O4 復(fù)合材料，分析了在2～18 GHz 頻段內(nèi)復(fù)合材料的吸波性能。當(dāng)涂層厚度為2.0 mm，F(xiàn)e3O4 空心半球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 時，在12.9 GHz 左右出現(xiàn)最大反射損耗峰，其峰值可達(dá)到–24 dB，且反射損耗小于–10 dB 的有效吸收帶寬達(dá)到4.9 GHz。通過比較分析純石墨烯、石墨烯／Fe3O4 空心半球以及石墨烯／Fe3O4 實心球三種復(fù)合材料的反射損耗隨頻率變化的趨勢可知，石墨烯／Fe3O4 空心半球復(fù)合材料有較好的微波吸收能力，F(xiàn)e3O4 空心半球的引入不僅可提高石墨烯復(fù)合材料對電磁波的吸收損耗，同時還能有效拓寬吸收頻帶。

    Zhang Dongdong 等采用水熱法制備了石墨烯／CdS 納米復(fù)合材料，其中CdS 鑲嵌在石墨烯薄片中，顆粒尺寸為20～70 nm，并研究了其微波吸收性能。當(dāng)涂層厚度為3.3 mm 時，在9.95 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達(dá)到–48.4 dB，反射損耗低于–10 dB 的有效帶寬可達(dá)到6 dB。Liu Panbo 等[26] 采用溶劑熱法制備了石墨烯／聚苯胺／Co3O4 三元納米復(fù)合材料。研究表明，Co3O4 納米粒子可以有效改善石墨烯／聚苯胺的微波吸收性能，當(dāng)涂層厚度為3 mm 時，在6.3 GHz 有最大反射損耗，其峰值可達(dá)到–32.6 dB，在4.8～8 GHz 頻段范圍內(nèi)的反射損耗均低于–10 dB。

    在后續(xù)的研究 中，進(jìn)一步制備了石墨烯／聚吡咯／NiFe2O4 三元納米復(fù)合材料。NiFe2O4 納米顆粒的引入提高了石墨烯／聚吡咯的微波吸收性能，拓寬了有效吸收頻帶。當(dāng)涂層厚度為1.75 mm 時，反射損耗最大值可達(dá)到–44.7 dB，在12.6～17.3 GHz 頻帶的反射損耗均低于–10 dB。

    上述研究結(jié)果表明，磁性納米材料的引入可以有效改善石墨烯的電磁性能，提高其微波吸收效果。必須從磁性材料的組分、磁性材料的結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步研究，才能得到高性能的石墨烯磁性納米粒子復(fù)合吸波材料。

    作為新一代碳材料的石墨烯，不僅具有獨特的物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電磁性能，還具有良好的微波吸收性能，將其與磁性納米粒子復(fù)合后可以得到一種兼具磁損耗和電損耗的新型吸收劑，可極大地提高石墨烯復(fù)合材料的微波吸收性能。因此，開展多功能石墨烯以及磁性片狀石墨烯復(fù)合材料的研制，是未來新型吸收劑材料應(yīng)用研究的重點。

    （王雯1，黃成亮1，郭宇1，宋宇華1，張穎異1，劉玉鳳1，杜汶澤2（1. 中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031 ； 2. 總裝備部裝甲兵駐濟(jì)南地區(qū)軍代室，濟(jì)南　250031）