西安科技大学《JCIS》：石墨烯/纤维素气凝胶，用于超轻应用

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-10-15 16:39

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1 成果简介

石墨烯气凝胶作为一种新型碳基复合材料，因其导电率高、结构可调、耐腐蚀性好等特点，在吸波领域显示出巨大的潜力。通过制备工艺设计有效调整石墨烯气凝胶复合材料的微观结构，从而精确控制其介电性能，对提高其吸波性能具有重要意义。本文，西安科技大学杜立飞副教授等研究人员在《 Journal of Colloid and Interfac e Science 》期刊发表名为“ Facilitative preparation of graphene/cellulose aerogels with tunable microwave absorption properties for ultra-lightweight applications ”的论文，研究以石墨烯和短纤纤维素为原料，采用溶解-再生策略，通过冷冻干燥法成功制备了两种具有三维多孔结构的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料。

对比分析了微观结构、介电性质和相应电磁波吸收性能的差异，结果表明纤维素基体中加入石墨烯纳米片的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料具有更优异的吸收性能。石墨烯添加量为 32 wt% 的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料在相对较大的厚度范围（3.9-4.7 mm）内实现了对整个 X 波段（8-12.4 GHz）电磁波的有效吸收（反射损耗小于 -10 dB）。所提出的气凝胶的密度不超过 0.02 g/cm3 ，显示了作为优秀轻质微波吸收材料的巨大潜力。该研究总结了多尺度电磁波吸收机理，为设计具有完美宽带吸收性能的超轻吸收材料提供了重要参考。

2 图文导读

图1.两种GNS/纤维素气凝胶的制造过程.

图2.制备的气凝胶的形态.

图3.具有不同 GNS 含量的 I-GNS/CA 和 M-GNS/CA 复合材料的复介电常数.

图4.GNS/CA 复合材料在 8–12.4 GHz 频率范围内的厚度密度 RL。

图5.所提出的 GNS/CA 复合材料的电磁波吸收机制示意图.

3 小结

本文制备了两种典型的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料，研究了石墨烯滴落对纤维素气凝胶电磁波吸收性能的影响。对于在 3D 多孔纤维素气凝胶中通道表面涂覆石墨烯的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料，石墨烯纳米片容易形成完整的导电网络，导致阻抗匹配差，复介电常数相对较大。独特的是，当石墨烯纳米片在制备 3D 气凝胶结构之前与纤维素混合时，石墨烯均匀混合到基体中的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料可以在相对较大的厚度范围内实现整个 X 波段的有效电磁波吸收。建议的气凝胶的密度不超过 0.02 g/cm3.介电性能和相应的 EM 吸收性能可以通过石墨烯的添加量以及气凝胶的厚度来定制。所制备的石墨烯/纤维素气凝胶复合材料的完美吸收归因于多尺度结构诱导的多种电磁波损耗模式（多重散射、干扰消除、传导损耗、偶极极化、损耗界面极化损耗等）之间的协同效应。所有制备的气凝胶复合材料都显示出相对较小的密度，这对于设计在宽频率范围内具有完美吸收的超轻吸收材料具有很大的潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.10.057

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