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轻质、低量、大片层还原氧化石墨烯用于高效微波吸收
电子通讯技术高速发展的现在，5G技术逐渐在我们的生活中普及，但也使我们生活在复杂的电磁干扰之中，严重影响了信息安全以及人体健康。为了解决这一问题电磁波吸收材料应运而生。同时，随着电磁器件的小型化，轻型化，越来越需要吸波材料具有轻质、高效、低量的特点。磁性材料被广泛应用于吸波材料中，但由于其密度高、易腐蚀、居里温度低的特点，难以满足这一要求。碳材料的高速发展为解决这一问题提供了新的思路。碳材料因其轻质、高比表面积和可定制介电特性被广泛应用于吸波材料中。其中，氧化石墨烯（GO）因其优异的介电加工性能而被广泛研究。同时，还原氧化石墨烯(rGO)的导电和介电渗透阈值分别为0.52和0.31 vol%，只需少量添加即可获得优良的导电性能。在之前的报道中，由于大片层氧化石墨烯（LGO）比小片状氧化石墨烯（SGO）具有更高的比表面积，更容易形成网状结构，因此LGO可以在较低的填充量下更好地搭接和吸收电磁波。
在本研究中，四川大学傅强、陈枫教授课题组通过热处理LGO制备了不同还原度的rGO，研究了不同填充量和还原温度对微波吸收的影响。与SGO相比，还原后的LGO具有更好的吸收性能。同时，不同还原程度的rGO混合后，改善了材料的吸收性能和阻抗匹配，并探讨了还原氧化石墨烯混合的吸收机理。
图1 不同载荷下还原氧化石墨烯的(a, b) 介电常数，(c) 磁导率。(d) 还原温度为800℃时1.5 wt%复合材料的RL随厚度和频率的变化；不同填充量下还原氧化石墨烯的反射损耗 (e) 0.5 wt%，(f) 1.0 wt%，(g) 1.5 wt%，(h) 2.0 wt%。
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图2 不同还原温度下还原氧化石墨烯的(a, b) 介电常数，(g-i) 反射损耗；(c) 最佳厚度下RT800的反射损失，(d) λ/4条件下RT800情况下吸收器厚度tm与峰值频率fm的模拟，(e) RT800产生的归一化输入阻抗|Zin/Zo|的模量；(f) GO的热还原机理。
图3 (a-c) LGO、MGO和SGO的SEM图像和尺寸分布；(d) XPS光谱，(e) XPS特征参数，(f) 介电常数，(g-i) 反射损耗。
图4 样品的介电常数范围(a) 实部，(b) 虚部，(c) 介电损耗；(d) 混合样品的介电损耗；(e) f -2:1，(f) f -1:1，(g) f -1:2的反射损耗；(h) 样品在4.04 mm厚度处的|Zin/Zo|值及相应的反射损耗值。
图5 (a) F-1:2在最佳厚度下的反射损失，(b) 在λ/4条件下F-1:2情况下吸收器厚度tm与峰值频率fm的模拟，(c) F-1:2产生的归一化输入阻抗|Zin/Zo|的模量；(d) 还原氧化石墨烯复合材料的电磁微波吸收机理示意图。
当还原温度为800℃，含量为1.5 wt%时，RL达到最大值-53.0 dB，EAB为3.98 GHz。此外，通过与SGO的比较，LGO表面具有更丰富的极化中心和更容易形成的导电网络，具有更好的阻抗匹配和吸收能力。通过混合不同还原度的还原氧化石墨烯，改善了还原氧化石墨烯的阻抗匹配，RL可达-59.1 dB，分别为原单组分的2.13倍（RT400）和1.59倍（RT600）。当填充量仅为1.5 wt%时，最佳EAB为6.90 GHz，覆盖了整个Ku波段。因此，在这项工作中，通过简单的热还原方法制备了一种轻质、低量、高效的氧化石墨烯吸波材料。同时，热还原法也为氧化石墨烯吸波材料的规模化生产提供了可能。
相关成果以“Light-weight, low-loading and large-sheet reduced graphene oxide for high-efficiency microwave absorber”发表在Carbon （Carbon 196 (2022) 1024-1034）上。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院硕士研究生张环，通讯作者为陈枫教授。感谢国家自然科学基金（51573102）对本工作的支持。
