研究背景

考慮到嚴重的電磁波污染問題和復雜的應用條件，迫切需要將多種功能融合到一種物質中。然而，將多種功能有效集成到設計的電磁波吸收材料中仍面臨巨大挑戰(zhàn)。貴州大學祁小四、復旦大學呂華良等研究人員采用冷凍干燥、浸沒吸收、二次冷凍干燥和碳化處理等高效方法，精心設計和合成了具有二維/三維(2D/3D)的氧化還原石墨烯/碳泡沫(RGO/CFs)范德華異質結構。由于其增強的介電損耗和優(yōu)化的阻抗匹配兩者的出色聯(lián)動效應，所設計的2D/3D RGO/CFs范德華異質結構表現出了值得稱道的電磁波吸收性能，在低匹配厚度下實現了6.2 GHz的吸收帶寬和−50.58 dB的反射損耗。此外，2D/3D RGO/CFs 范德華異質結構還表現出顯著的雷達隱身性能、良好的耐腐蝕性能以及出色的隔熱性能，在復雜多變環(huán)境中顯示出巨大的應用潛力。因此，這項工作不僅展示了一種制造 2D/3D 范德華異質結構的簡單方法，而且還概述了一種強大的混合維度組裝策略，用于設計航空航天或其他復雜條件下的多功能電磁波吸收材料。

1. 通過簡單的混合維度組裝策略有效地制造出2D/3D 氧化還原石墨烯/碳泡沫(RGO/CFs)范德華異質結構。

2. 由于增強的介電損耗和優(yōu)化的阻抗匹配的出色聯(lián)動效應賦予了2D/3D RGO/CFs 范德華異質結構出色的電磁吸收性能。

圖1表明，樣品具有非常低的密度，大約45 mg/cm³，僅一片葉子就可以支撐樣品。通過XRD分析，CFs和RGO/CFs顯示出石墨碳的寬峰，分別位于24°和44°，同時GO的衍射峰消失，表明GO成功還原。CFs和RGO/CFs的XPS全譜顯示出O 1s、N 1s和C 1s的特征峰，為氮摻雜提供了證據。其中，N 1s XPS譜進一步確認了氮的鍵合配置，表明存在氧化氮、石墨氮、吡咯氮和吡啶氮。而吡咯氮和吡啶氮作為極化中心，石墨氮作為導電損耗增強劑，有助于提高電磁波的耗散。 

圖1. (a) 2D/3D GO/CGFs和RGO/CFs范德華異質結構的實驗示意圖，(b)立在葉片上的 R2/CF 的數字圖像，CFs 和 RGO/CFs (c)傅里葉變換紅外光譜，(d) X射線衍射圖案，(e)X射線光電子能譜，(f，g)R2/CF的 C1s和N1s X射線光電子能譜。 

圖2中，SEM分析表明隨著氧化還原石墨烯的增加，三維碳泡沫結構逐漸被填滿，結構變的更加粗糙，同時能量色散元素映射圖像也表明N元素的有效摻雜。 

圖2. (a1-d3) CFs, R2/CF, R4/CF和R6/CF掃描電子顯微鏡圖像，(e1-e4)R2/CF 能量色散元素映射圖像。

通過圖3和圖4分析，隨著吸附的氧化石墨烯濃度的增加，650 ℃ 碳化之后獲得樣品的介電數值不斷升高，在15 wt %， 20 wt %， 25 wt %下，濃度為2 mg/mL的氧化石墨烯對應的產物(R2/CF)均表現出最佳的吸收帶寬。 

圖3. CFs, R2/CF, R4/CF和R6/CF的(a-e)介電參數以及對比圖，(f)介質損耗正切值。

圖4. R2/CF, R4/CF和R6/CF在25 wt%下的(a-d)3D RL，(e-g)EAB，(h)各樣品在不同填充比下的RLmin和EAB的對比。 

在上述的分析基礎上，以R2/CF為研究對象，改變碳化溫度為600 ℃ 和700 ℃。在成分分析和SEM(圖5)的表征下，溫度對樣品的成分和形貌幾乎沒有影響。圖6電磁參數和吸波性能分析表明，同一填充比下，隨著碳化溫度的升高，電磁參數也呈現出上升的趨勢，而在700 ℃處理后，15 wt%時1.85 mm的厚度下表現出5.0 GHz的較寬吸收帶寬。 

圖5. R2/CF-600, R2/CF和 R2/CF-700(a)XRD, (b)XPS，(c)Raman spectra， SEM圖像(d-f)R2/CF-600和(g-i)R2/CF-700。 

圖6. R2/CF-600和R2/CF-700的(a-c)介電參數，(d-f)R2/CF-700在不同填充比之下的二維RL彩色圖。

根據先前的實驗結果和分析，可以得出結論：設計的蜂窩狀多孔泡沫賦予電磁波吸收器輕質的特性和卓越的電磁波吸收性能。為了更直觀地理解，圖7概括了2D3D RGO/CFs范德華異質結構中可能的電磁波衰減機制。關鍵在于，這些典型的混合維度蜂窩狀多孔結構材料相比單一維度的結構大大改善了阻抗失配特性。得益于這種優(yōu)化的阻抗匹配，大部分入射的電磁波能夠有效穿透設計的RGO/CFs吸收器，經過多次反射和散射，從而實現能量衰減。同時，2D RGO納米片和3D CFs相互交聯(lián)，構建了一個出色的導電網絡。利用石墨納米晶體間的電子遷移和跳躍，導電損耗有效地促進了電磁波能量向熱能的轉化，進而實現了衰減。除了導電損耗，極化損耗是加速電磁波衰減的另一個重要因素。在這里，泡沫狀的2D/3D 范德華異質結構和復合成分提供了大量的異質界面，例如固-氣界面和不同成分的界面，在這些異質界面上，由于不同性質的電荷積累，會發(fā)生界面極化損耗。此外，源于缺陷、雜原子摻雜以及RGO/CFs 范德華異質結構內部殘留極性基團的偶極極化損耗也促進了穿透的電磁波的衰減。總體而言，2D RGO和3D CFs的協(xié)同作用顯著優(yōu)化了它們的阻抗匹配特性，并增強了介電損耗能力，這對其優(yōu)異的電磁波吸收性能做出了貢獻。 

總結

通過簡化的冷凍干燥、浸漬吸附、二次冷凍干燥和隨后的碳化過程精心設計合成了多功能2D/3D RGO/ CFs范德華異質結構。獲得的實驗結果表明，RGO的引入顯著優(yōu)化了2D/3D RGO/CFs 范德華異質結構的阻抗匹配特性，提高了它們的極化和導電損耗能力。通過調節(jié)RGO含量和碳化溫度，可以有效調節(jié)2D/3D RGO/CFs 范德華異質結構的電磁參數。因此，優(yōu)化的阻抗匹配和增強的介電損耗能力的協(xié)同效應賦予了設計的2D/3D RGO/CFs 范德華異質結構優(yōu)異的電磁波吸收性能。結果，R2/CF顯示出低的RLmin(-50.58 dB)和寬的EAB值(6.2 GHz)。更重要的是，合理的成分設計和混合維度的范德華異質結構有助于2D/3D RGO/CFs提高雷達隱身特性、良好的耐腐蝕性能以及出色的隔熱能力，在復雜多變條件下顯示了的巨大應用潛力。