本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍干燥方法，開發(fā)制備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠吸波材料。該氣凝膠具有極低的密度，并在18–26.5 GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的介電損耗能力。強(qiáng)吸收、寬吸收頻帶，輕薄的性能使得CNT/石墨烯氣凝膠在電磁波吸收材料中具有很好的應(yīng)用前景。
近年來，由于電子行業(yè)及無線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁輻射對人體健康和環(huán)境的影響比以往增加了很多。為了減少電磁污染，電磁波吸收材料受到越來越多的關(guān)注，這種材料可以通過它們的固有的磁性和介電損耗去衰減電磁能量將其轉(zhuǎn)化為熱能。
如今，研究者們在材料調(diào)控策略方面一直在不斷努力，這些策略主要是探索新材料，或者是構(gòu)建多個功能組分，以實(shí)現(xiàn)介電損耗和磁損耗最大的協(xié)同效應(yīng)。與新材料（如石墨烯，鈣鈦礦或MXenes）相比，采用多組分協(xié)同調(diào)控策略解決電磁波污染問題被認(rèn)為是最有效的方法，它不僅擴(kuò)展了吸收體的種類，而且更容易獲得更強(qiáng)的電磁波吸收能力。
最近，許多類型的吸波材料已通過這一策略制備出，特別是對磁/介電復(fù)合材料，界面基材料等，均顯示出理想的電磁波吸收能力，即使這樣，諸如高密度，超高填充率的缺點(diǎn)仍然極大地限制了它們的商業(yè)應(yīng)用。
吸波材料通常以涂層形式使用，該涂層由吸波填料和基質(zhì)（即石蠟，硅膠等）組成。通常為了獲得期望的性能，吸波填料的含量通常大于50 wt％（一些甚至超過80 wt％）。此外，這些吸波劑中含有金屬（如羰基鐵，F(xiàn)eCo系合金等），因此這將導(dǎo)致吸波材料密度太大。
面對這個困難，研究者們對多孔碳基輕質(zhì)吸波材料的研究興趣在不斷增長，例如三維支架狀的碳?xì)饽z近年來受到越來越多的關(guān)注。盡管在這方面已經(jīng)取得了很多成果，但是由于金屬氧化物或金屬等的高密度，制備的多組分氣凝膠的密度降低得不夠，同時，吸收劑的填充率仍大于20 wt％。
針對上述問題，復(fù)旦大學(xué)Hualiang Lv等研究人員通過一種簡便的原位水熱法和冷凍干燥方法，開發(fā)制備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠（CNTs/GA）吸波材料。所制備的CNTs/GA吸收劑具有多孔的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅大大增強(qiáng)了電磁波吸收能力，而且有助于形成超低密度和導(dǎo)電滲透閾值。
結(jié)果表明，具有4 wt％吸波劑（CNTs/GA氣凝膠）的吸波層顯示出優(yōu)異的電磁波吸收能力以及最大化的有效吸收帶寬（厚度為1.7 mm時，有效帶寬8.5 GHz）。這項(xiàng)成果為制備由輕組分構(gòu)成的具有寬頻帶吸收，超輕薄的多孔3D氣凝膠吸波材料提供了借鑒。相關(guān)工作以“Exceptionally porous three-dimensional architectural nanostructure derived from CNTs/grapheneaerogel towards the ultra-wideband EM absorption”為題發(fā)表在著名期刊《Composites PartB: Engineering》上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108122
在本文中，CNTs/GA氣凝膠是通過簡單的原位水熱法和隨后的冷凍干燥過程制備的，其中一定量的CNT均勻地分散在GO溶液中，如圖1所示。由于存在極性基團(tuán)（例如–OH，–COOH 等），因此添加的CNT會被GO吸附。在水熱過程中，由GO和CNT構(gòu)成的納米片被組裝成氣凝膠。在自然干燥中，可以從溶劑中收集氣凝膠。然后使用PDMS作為基質(zhì)，通過浸漬法制成吸收層。
對于CNT/GA填充的吸波材料，在1.5 mm厚度下，最小反射損耗值（RLmin）接近-9.9 dB（標(biāo)準(zhǔn)RL值<-10 dB）。CNTs/GA-1 的RL min值為-40.8 dB，厚度為2.0 mm。隨著CNT含量的增加，CNTs/GA-2和CNTs/GA-3 的最小RLmin值為-52 dB（d= 1.9 mm）和-21 dB（d = 2.0 mm）。在1.7 mm的厚度下CNTs/GA-1可以有效地覆蓋的整個頻率范圍（18–26.5 GHz）。
FESEM圖像表明所制備的CNT/GA-0氣凝膠是具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并且高度多孔的。插入的CNT被均勻地分布到3D網(wǎng)絡(luò)中，除了穩(wěn)定3D結(jié)構(gòu)外，更高含量的CNT可以避免石墨烯納米片的團(tuán)聚。
總的來說，通過水熱法和冷凍干燥法簡易地制備出由CNT和還原氧化石墨烯構(gòu)成的氣凝膠，其中CNT緊密地粘附在石墨烯納米片上并且形成了多孔3D結(jié)構(gòu)。該氣凝膠具有極低的密度，并在18–26.5 GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的介電損耗能力。
當(dāng)將4 wt％的CNTs@GA氣凝膠分散到PDMS基質(zhì)中時，厚度為1.7 mm時最小反射損耗值在22.4 GHz時達(dá)到-31.0 dB，有效吸收帶寬覆蓋了整個頻率范圍（18–26.5 GHz）。強(qiáng)吸收、寬吸收頻帶，輕薄的性能使得CNT/石墨烯氣凝膠在電磁波吸收材料中具有很好的應(yīng)用前景。
