哈尔滨工业大学夏龙组ACS Applied Materials & Interfaces封面：锂铝硅石墨烯复合吸波材料

期刊封面

【前言】

近年来，石墨烯以其独特的二维结构和超低密度、高比表面积、优异的环境稳定性等优异性能，作为一种微波干扰屏蔽材料而受到广泛关注。然而，大多数电磁波（EM）入射到石墨烯表面时都会经历反射过程，因为石墨烯的复介电常数过高，阻抗匹配较差。相对复介电常数和相对复磁导率直接决定了材料的吸波性能。目前采用较多的方法为将石墨烯与各种磁性粒子复合，通过电磁参数的协同作用调节阻抗匹配，增强吸波性能。最常用的为铁氧体，但单一铁氧体复合材料存在吸波频带窄的问题，为了改善这一问题往往还需加入其他材料，使制备过程繁琐。另一种可以调节石墨烯阻抗匹配的方式为在石墨烯中加入拥有相对较低的介电常数实部（ε′=1-5）和低介电损耗角正切              （tan δ ≤ 0.01）的透波材料。锂铝硅（L A S）微晶玻璃作为一种重要的微晶玻璃体系，由于其超低热膨胀率、高温稳定性和化学耐磨性具有广泛的应用。锂铝硅（L A S）具有超低的介电常数    （ε′= 2.78 ，tan δ =0.01）。最近，将石墨烯与陶瓷材料复合已成为新的研究热点。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学夏龙副教授课题组采用溶胶-凝胶法、水热反应法和热处理法，通过添加硅烷偶联剂KH-550，成功地将硅酸铝锂(LAS)纳米粒子加载到石墨烯(rGO)纳米薄片上，合成了一种新型吸波材料。通过LAS纳米粒子和KH-550只调控rGO的复介电常数，得到的LAS/rGO-KH-550复合材料在16.48 GHz时最大反射损耗达到-62.25 dB，厚度只有2.7 mm，带宽在-10 dB以下达到6.64 GHz。LAS/rGO-KH-550在所有X和Ku波段(8-18 GHz)的有效吸收均低于-20 dB。这项工作将为开发各种新兴应用的高性能吸波材料开辟新的途径。成果以“Permittivity-Regulating Strategy Enabling Superior Electromagnetic Wave Absorption of Lithium Aluminum Silicate/rGO Nanocomposites”为题发表在国际著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces 上，并被选为封面文章。通讯作者为哈尔滨工业大学材料学夏龙副教授，第一作者为哈尔滨工业大学硕士鲁思如。

图1 LAS/rGO-KH-550复合材料的制备过程

图2 LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550复合材料的SEM图

(a) LAS/rGO的SEM图；

(b) K1的SEM图；

(c) K2的SEM图；

(d) K3的SEM图；

(e) K4的SEM图。

图3 LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550复合材料的TEM和LAS粒径分布统计图对比

(a-b) LAS/rGO复合材料的TEM图；

(c) LAS/rGO复合材料的LAS粒径分布统计图；

(d-e) K1的TEM图；

(f) K1的LAS粒径分布统计图；

(g-h) K2的TEM图；

(i) K2的LAS粒径分布统计图；

(j-k) K3的TEM图；

(l) K3的LAS粒径分布统计图；

(m-n) K4的TEM图；

(o) K4的LAS粒径分布统计图。

图4 rGO、LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550的XRD及Raman图

(a)样品的XRD图；

(b)样品的拉曼光谱图。

图5 rGO、LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550的吸波性能对比

(a) rGO的3D吸波反射损耗RL图；

(b)LAS/rGO复合材料的3D吸波反射损耗RL图；

(c) K1的3D吸波反射损耗RL图；

(d) K2的3D吸波反射损耗RL图；

(e) K3的3D吸波反射损耗RL图；

(f) K4的3D吸波反射损耗RL图。

图6 rGO、LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550的吸波频宽对比

(a) rGO的3D吸波RL投影图；

(b)LAS/rGO复合材料的3D吸波RL投影图；

(c) K1的3D吸波RL投影图；

(d) K2的3D吸波RL投影图；

(e) K3的3D吸波RL投影图；

(f) K4的3D吸波RL投影图。

图7 rGO、LAS/rGO和LAS/rGO-KH-550的复介电常数及复磁导率对比

(a)介电常数实部；

(b)介电常数虚部；

(c)磁导率实部；

(d)磁导率虚部

图8 样品的损耗角正切和衰减常数

(a)介电损耗角正切；

(b)磁损耗角正切；

(c)衰减常数

图9 LAS/rGO-KH-550复合材料的吸波机理图

【结论】

采用三步法成功地制备了LAS/rGO-KH-550纳米复合材料。rGO表面由于热还原过程形成的缺陷和表面少量残留基团会产生偶极极化和相应的弛豫损耗。LAS粒子具有透波性，可以降低rGO的介电常数，减少电磁波在材料表面的反射。通过KH-550的加入增强了rGO与LAS粒子的界面结合，从而进一步调节了复合材料的介电常数，rGO上附着的LAS粒子形成的微型电容器结构增强了复合材料的吸波性能。LAS/rGO-KH-550复合材料在X和Ku波段具有较强的电磁波吸收能力（RL=-62.25 dB），有效吸收频宽达到6.64 GHz，而且填充量低，仅为20 wt.%。在X和Ku波段整体都有超过-20 dB的有效吸收。由于其薄、轻、宽的吸波性能，这项工作将为开发各种新兴应用的高性能吸波材料开辟新的途径。

通讯作者简介

夏龙，哈尔滨工业大学（威海）材料科学系系主任，博士，副教授,硕士生导师。山东省复合材料学会常务理事，山东省陶瓷专家委员会委员。主要的研究玻璃陶瓷的溶胶凝胶法合成、负膨胀微晶玻璃材料、纤维增强陶瓷基复合材料的研究工作。主持国家自然科学基金、国防配套项目、航天创新基金、军品横向等多项课题。承担陶瓷基复合材料连接环、透波陶瓷罩体等多个关键部件的研发工作。获黑龙江省自然科学一等奖和省高校科技进步奖各一项。在Acta Mater、Corrosion Sci、J. Euro Ceram Soc. Ceram Int、Mater Lett等国际期刊上发表SCI收录论文40余篇。获得8项国家发明专利授权。

文献链接：Lu Siru，Xia Long，Xu Jiaming，Ding Chuheng，Li Tiantian，Yang Hua，Zhong Bo，Zhang Tao，Huang Longnan，Xiong Li，Huang Xiaoxiao，Wen Guangwu. Permittivity-Regulating Strategy Enabling Superior Electromagnetic Wave Absorption of Lithium Aluminum Silicate/rGO Nanocomposites[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2019，11(20)：18626-18636.

本文系哈尔滨工业大学夏龙副教授课题组供稿。

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