一、背景介紹
電磁波在給人類生活帶來極大便利的同時，電磁輻射產(chǎn)生的危害不可忽視，如電子元器件之間的電磁干擾、電磁信息泄露和電磁波對人體的輻射等。同時，隨著世界各國的電子對抗技術(shù)、軍事信息化的不斷發(fā)展，以及各種新型雷達(dá)探測器相繼問世，如何更好地隱蔽武器不被發(fā)現(xiàn)的隱身技術(shù)得到了世界各國的關(guān)注，吸波材料由此應(yīng)運(yùn)而生。
吸波材料是最早用于軍事上的隱身材料，能吸收、衰減入射的電磁波，并將其電磁能轉(zhuǎn)化為熱能耗散或使電磁波因干涉而消失的一類材料。當(dāng)有電磁波輻射到吸波材料的表面時，一部分入射到它的表面被吸收，另一部分則被反射。被材料吸收的電磁波在材料內(nèi)部傳播時，通過多次反射將電磁能轉(zhuǎn)化為其它形式能量而消散掉，同時還有部分被吸收轉(zhuǎn)化的電磁波在材料內(nèi)部發(fā)生反射，傳出表面進(jìn)入大氣中。而反射的電磁波很容易被雷達(dá)偵測設(shè)備發(fā)現(xiàn)，因此吸波材料的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循滿足兩個原則：第一個是阻抗匹配要好，這個特點(diǎn)非常重要，因?yàn)殡姶挪ㄈ肷涞讲牧仙蠒r，很容易發(fā)生反射而造成電磁波二次污染，因此良好的阻抗匹配對材料的吸波性能至關(guān)重要。第二個是對電磁波損耗要強(qiáng)，這個特點(diǎn)是說進(jìn)入材料內(nèi)的電磁波要能迅速地幾乎全部被衰減掉，而不是透過材料再次進(jìn)入外界造成污染。通常損耗包括介電損耗與磁損耗，介電損耗又包括界面極化、偶極極化、導(dǎo)電損耗等，磁損耗包括自然共振，磁滯損耗、渦流損耗等。
由于基于GHz電磁波（EMW）的無線通信設(shè)備的廣泛使用，電磁污染已成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。尋求高性能微波吸收（MA）材料，作為最小化和衰減EMW的最可行解決方案之一，在全球范圍內(nèi)引起了巨大研究興趣。最近，不同類型的納米材料的蓬勃發(fā)展，包括零維（0D）納米顆粒（NP），1D納米線和納米管，和2D石墨烯，MXene，MoS2等，顯著促進(jìn)電磁防護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。對于“薄，寬，輕和強(qiáng)”的MA材料，二維納米材料（尤其是石墨烯和MXene）無疑是首選，因?yàn)樗鼈兊拈L徑比大，有可調(diào)節(jié)的電性能和豐富的官能團(tuán)。與其他納米材料相比，當(dāng)將它們用作制備吸波材料的填料填充到基體中以時，這些特性有助于它們以較低的含量貢獻(xiàn)更大的導(dǎo)電損耗和更大的極化損耗。
二、成果介紹
制備先進(jìn)的微波吸收（MA）納米材料是解決軍事和民用領(lǐng)域日益嚴(yán)重的電磁污染的最可行方法之一。
為此，石墨烯和MXene由于其卓越的結(jié)構(gòu)和性能獲得了廣泛關(guān)注。諸如高長寬比，活性化學(xué)表面以及各種合成工藝等共同特征賦予石墨烯和MXene獨(dú)特的優(yōu)勢，可用于開發(fā)高效MA結(jié)構(gòu)，特別是輕量級組件和各種復(fù)合材料。同時，它們之間的結(jié)構(gòu)和性能差異（例如不同的電導(dǎo)率）會導(dǎo)致在其MA材料的設(shè)計(jì)，制造和應(yīng)用中采用獨(dú)特的技術(shù)。近日，西北工業(yè)大學(xué)李賀軍院士課題組系統(tǒng)評述了石墨烯和MXene基吸波材料的研究進(jìn)展，特別關(guān)注了主要研究策略的進(jìn)展。
此外，通過對石墨烯和MXene基MA材料的比較，展示了它們在實(shí)現(xiàn)高性能MA方面的各自優(yōu)勢。對這些MA材料的未來挑戰(zhàn)，研究方向和前景也進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)和討論。該工作以“Graphene and MXene Nanomaterials: Toward High-Performance ElectromagneticWave Absorption in Gigahertz Band Range”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Adv. Funct. Mater.》上。
三、圖文速遞
石墨烯和MXene吸波材料優(yōu)勢比較
石墨烯和MXene在其電磁吸收應(yīng)用中顯示出不同的優(yōu)勢（示意圖1）。對于石墨烯，第一個優(yōu)勢是其低密度，易于獲得以及出色的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，第二個優(yōu)點(diǎn)是石墨烯組裝體的形態(tài)多種多樣，石墨烯的平面形態(tài)和表面化學(xué)活性使其易于與其他材料復(fù)合。MXene是一種新穎的2D納米材料，其優(yōu)點(diǎn)包括通用的加工，豐富的家族成員，親水性，可調(diào)的電導(dǎo)率和豐富的表面官能團(tuán)。
電磁損耗機(jī)理
介電損耗和磁損耗是吸收體衰減EMW的主要途徑。介電損耗通常由傳導(dǎo)損耗，極化弛豫和多重散射決定。極化弛豫主要是由偶極子和界面極化引起的。偶極子在官能團(tuán)，缺陷和界面的位置產(chǎn)生。在高頻交變電場下，當(dāng)偶極子的旋轉(zhuǎn)不能跟隨電場的變化時，偶極子定向極化損耗就會發(fā)生，這是介電損耗的另一個關(guān)鍵作用。
石墨烯基吸波材料
隨著GO還原度的增加，RGO的極化弛豫增強(qiáng)，這歸因于空位缺陷的增加。此外，由于含氧基團(tuán)的減少和石墨結(jié)構(gòu)的重建，導(dǎo)電損耗得到了提高。因此，具有較高還原度的RGO可以很好地平衡阻抗匹配，并具有良好的MA性能。
CVD制得的石墨烯具有連續(xù)且完美的平面結(jié)構(gòu)，高電導(dǎo)率和介電常數(shù)，為了獲得出色的MA性能，既需要強(qiáng)大的吸收能力又需要阻抗匹配。必須仔細(xì)設(shè)計(jì)石墨烯微結(jié)構(gòu)，以使所得材料具有適度的電導(dǎo)率以及有效的損耗能力。
根據(jù)電磁吸收理論，EMW以多種形式消耗，例如電導(dǎo)率，極化弛豫，共振，磁疇交換，渦流等。通常基于多種衰減形式來獲得理想的RL值。因此，其他損耗材料，包括介電和磁異質(zhì)介質(zhì)，總是與石墨烯復(fù)合以獲得高效率的MA性能。
盡管上述基于石墨烯的混合吸波材料具有很高的RL值，但其綜合性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)未得到實(shí)際應(yīng)用，尤其是相對較窄的吸收帶寬EAB和較大的厚度（超過2 mm）。為了獲得更好的MA性能，關(guān)鍵是要進(jìn)一步提高吸波材料的EMW衰減能力，同時保持良好的阻抗匹配。為此，增強(qiáng)界面極化是一種潛在的策略。
通過介電損耗型材料單獨(dú)使用會有阻抗匹配差的問題，如果與磁損耗材料集合起來可以顯著改善阻抗匹配，發(fā)揮介電損耗與磁損耗的協(xié)同作用，提升吸波性能。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)基于石墨烯的吸波材料的EWM吸收，應(yīng)認(rèn)真考慮對每種組分及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的固有性質(zhì)和多尺度分散進(jìn)行全局優(yōu)化的策略。具有2D平面形態(tài)或3D微結(jié)構(gòu)的損耗材料由于界面極化增強(qiáng)或微電流等額外的衰減機(jī)制，也可以增強(qiáng)復(fù)合材料的MA性能。
MXene基吸波材料
蝕刻工藝和分散條件導(dǎo)致形成不同的MXene微結(jié)構(gòu)，例如不同的層數(shù)和官能團(tuán)，對其電導(dǎo)率和介電性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。
通過結(jié)合Ti3C2Tx納米片和Ni NPs 的優(yōu)點(diǎn)，含有Ni@MXene復(fù)合物的聚偏二氟乙烯復(fù)合材料表現(xiàn)出理想的MA性能，同時展現(xiàn)出極好的RL min值和寬的EAB。當(dāng)使用質(zhì)量比為8：1 的Ni/Ti3C2Tx 時，RL min在8.4 GHz時達(dá)到-52.6 dB，厚度為3 mm，通過調(diào)整樣品厚度復(fù)合材料的EAB可以完全覆蓋整個X波段。
多層和多層MXene具有不同的電導(dǎo)率，為了平衡阻抗匹配和損耗強(qiáng)度，大多數(shù)研究都依賴于基于不同方法的異質(zhì)混合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，包括水熱合成，溶劑熱合成，原位聚合，CVD，冷凍干燥自組裝，靜電紡絲等。對于具有較低電導(dǎo)率和介電常數(shù)的多層MXene，引入其他高介電損耗材料（例如CNT和碳球）可以有效地提高M(jìn)A性能。而對于高導(dǎo)電性的少層MXene，始終使用中等介電損耗材料和磁損耗材料。此外，很少層的含有異質(zhì)改性劑的MXene氣凝膠也證明了其作為高性能吸波材料的優(yōu)勢。但是，為了獲得更強(qiáng)和更寬的寬帶EMW吸收率，將來需要在阻抗匹配和基于MXene氣凝膠的損耗能力之間尋求更好的平衡。
四、結(jié)論與展望
在過去的幾年中，對基于石墨烯和MXene的電磁衰減材料的越來越廣泛的研究表明，兩種典型的2D納米材料在出色的MA應(yīng)用中占有重要地位。同時獲得強(qiáng)大的電磁損耗能力和良好的阻抗匹配一直是實(shí)現(xiàn)EMW吸收“薄，輕，寬，強(qiáng)”目標(biāo)的核心原則。但是，為了滿足未來復(fù)雜電磁環(huán)境的需求，需要進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯和MXene基材料的吸收性能，作者提出在以下領(lǐng)域有很大的研究范圍：
1、低頻范圍（尤其是與大多數(shù)民用無線電子設(shè)備和重要的軍事檢測儀器的工作頻率相對應(yīng)的0.1-6 GHz范圍）內(nèi)的MA性能差，仍然是阻礙當(dāng)前基于石墨烯和MXene材料寬帶吸收的重大挑戰(zhàn)。
2、異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的界面極化能力，有利于增強(qiáng)石墨烯和MXene材料的吸波性能，需要開發(fā)相應(yīng)的合成策略，使用具有大的長徑比的二維損耗材料，例如納米帶和納米片。
3、為了深入理解和實(shí)際應(yīng)用，需要深入研究純石墨烯和MXene在不同尺度下的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)之間的精細(xì)關(guān)系以及電磁性能。
4、結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合是減少M(fèi)A厚度和重量的有效策略。但是，相關(guān)研究目前很少。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，應(yīng)選擇具有良好機(jī)械強(qiáng)度的可透波的基體材料。相信在未來，石墨烯和MXene基吸波材料會取得更多突破，緩解電磁污染問題。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000475
