減少電磁輻射!復旦等制備出新型碳納米管/石墨烯氣凝膠!

本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍幹燥方法,開發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,並在18–26.5 GHz頻率范圍內實現瞭極強的介電損耗能力。強吸收、寬吸收頻帶,輕薄的性能使得CNT/石墨烯電磁波吸收材料中具有很好的應用前景。

近年來,由於電子行業及無線電通信技術的飛速發展,電磁輻射對人體健康和環境的影響比以往增加瞭很多。為瞭減少電磁污染,電磁波吸收材料受到越來越多的關註,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化為熱能。

如今,研究者們在材料調控策略方面一直在不斷努力,這些策略主要是探索新材料,或者是構建多個功能組分,以實現介電損耗和磁損耗最大的協同效應。與新材料(如石墨烯,鈣鈦礦或MXenes)相比,采用多組分協同調控策略解決電磁波污染問題被認為是最有效的方法,它不僅擴展瞭吸收體的種類,而且更容易獲得更強的電磁波吸收能力。

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,超高填充率的缺點仍然極大地限制瞭它們的商業應用。

吸波材料通常以塗層形式使用,該塗層由吸波填料和基質(即石蠟,矽膠等)組成。通常為瞭獲得期望的性能,吸波填料的含量通常大於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,FeCo系合金等),因此這將導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吸波材料的研究興趣在不斷增長,例如三維支架狀的碳氣凝膠近年來受到越來越多的關註。盡管在這方面已經取得瞭很多成果,但是由於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於20 wt%。

針對上述問題,復旦大學Hualiang Lv等研究人員通過一種簡便的原位水熱法和冷凍幹燥方法,開發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)網絡結構,不僅大大增強瞭電磁波吸收能力,而且有助於形成超低密度和導電滲透閾值。

結果表明,具有4 wt%吸波劑(CNTs/GA氣凝膠)的吸波層顯示出優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)。這項成果為制備由輕組分構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瞭借鑒。相關工作以“Exceptionally porous three-dimensional architectural nanostructure derived from CNTs/grapheneaerogel towards the ultra-wideband EM absorption”為題發表在著名期刊《Composites PartB: Engineering》上。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108122

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在本文中,CNTs/GA氣凝膠是通過簡單的原位水熱法和隨後的冷凍幹燥過程制備的,其中一定量的CNT均勻地分散在GO溶液中,如圖1所示。由於存在極性基團(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構成的納米片被組裝成氣凝膠。在自然幹燥中,可以從溶劑中收集氣凝膠。然後使用PDMS作為基質,通過浸漬法制成吸收層。

對於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(標準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絡結構並且高度多孔的。插入的CNT被均勻地分佈到3D網絡中,除瞭穩定3D結構外,更高含量的CNT可以避免石墨烯納米片的團聚。

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圖1(a – b)CNTs/GA氣凝膠和CNTs/GA吸波材料的合成路線圖;(c)CNTs/GA氣凝膠的數碼照片。
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圖2 具有各種CNT含量的CNT/GA氣凝膠的FESEM圖像
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圖3 CNTs/GA吸收層的反射損耗曲線
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圖4 (a – b)介電常數的實部(ε’)和虛部(ε”);(c–d)CNTs/GA-0和CNTs/GA-1的Cole-Cole曲線;(e)CNTs/GA氣凝膠的微波吸收機理示意圖。

總的來說,通過水熱法和冷凍幹燥法簡易地制備出由CNT和還原氧化石墨烯構成的氣凝膠,其中CNT緊密地粘附在石墨烯納米片上並且形成瞭多孔3D結構。該氣凝膠具有極低的密度,並在18–26.5 GHz頻率范圍內實現瞭極強的介電損耗能力。

當將4 wt%的CNTs@GA氣凝膠分散到PDMS基質中時,厚度為1.7 mm時最小反射損耗值在22.4 GHz時達到-31.0 dB,有效吸收帶寬覆蓋瞭整個頻率范圍(18–26.5 GHz)。強吸收、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用前景。

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