摘要
随着科技的快速发展，无线通信设备的普及方便了人们的日常生活，但同时也对环境，甚至人类的身体健康造成了不可避免的损害。因此，消除环境中无益的电磁波对于生态环境和人类健康都至关重要。目前，解决电磁污染最有效的方式是通过电磁波吸收材料将环境中无益的电磁波转化为热能等其他形式的能量进行消散。以石墨烯为代表的碳基电磁波吸收材料由于其具有比表面积大、轻质和耐腐蚀等优势被广泛应用于电磁波吸收领域。但单一组分的碳材料往往由于过高的介电常数导致阻抗失配，从而表现出较差的电磁波吸收性能。构建多孔结构是优化阻抗匹配情况的有效方式，三维多孔结构不仅能够优化阻抗匹配，而且能够通过延长电磁波的传输路径提高对电磁波的损耗能力。本文以石墨烯为基元，结合冷冻干燥、常压干燥等不同的制备方式，通过合理的成分和结构调控，制备了一系列石墨烯基气凝胶电磁波吸收材料，并探究了其内在的电磁波损耗机理，主要结果如下: （1）通过简单的冷冻干燥结合高温退火，制备了一种由金属有机框架（MOF）衍生的磁性γ-Fe2O3@C颗粒和还原氧化石墨烯（rGO）组成的超轻三维多孔气凝胶。静电自组装确保了磁性MOF衍生物在石墨烯孔壁中的均匀分散，介电性石墨烯和磁性γ-Fe2O3@C之间的介-磁协同作用，使γ-Fe2O3@C/rGO气凝胶具有良好阻抗匹配的同时具有多重电磁波损耗方式，从而提高了电磁波吸收性能。最小反射损耗在9.51GHz处达到-60.5dB,在3.18mm厚度下的有效吸收带宽高达7.76GHz。 （2）由于通过冷冻干燥所制石墨烯气凝胶的尺寸和可扩展生产都受到冷冻干燥机的限制，阻碍了石墨烯气凝胶的实际应用前景。因此，通过引入低能量输入和可扩展的常压制备方式合成了具有各向同性结构的MOF衍生Fe3O4@C/rGO复合气凝胶。基于Fe3O4所提供的磁损耗和rGO带来的介电损耗的协调配合，Fe3O4@C/rGO复合气凝胶获得了优异的电磁波吸收性能。最小反射损耗值在12.5GHz时达到-74.2dB,匹配厚度为2.81mm。当厚度为2.54mm时，有效吸收带宽达到6.69GHz,覆盖整个Ku波段。 （3）在常压干燥的基础上，引入纤维素纳米纤维，通过定向冷冻的方式制备了具有各向异性结构的纯介电损耗型石墨烯/纤维素气凝胶。纤维素的引入不仅起到调节阻抗匹配的作用，而且形成了大量异质界面，通过界面极化损耗提高了对电磁波的衰减能力。基于气凝胶各向异性的结构特点，从“结构-功能一体化”的角度探索了各向异性结构对电磁波吸波性能的影响。研究表明，石墨烯/纤维素气凝胶的介电常数同样具有各向异性，可以吸收特定方向上特定频率的电磁波。针对平行孔道方向上入射的电磁波最小反射损耗在10.96GHz处达到-51.48dB，而沿垂直孔道方向入射的电磁波最小反射损耗在16.96GHz处达到-52.48dB,通过调整电磁波的入射方向可以对电磁波的吸收频率进行调节。
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