針對嚴峻的電磁波（EMW）污染問題及復雜應用環境需求，亟需將多功能集成于單一材料中。本研究通過冷凍干燥、浸漬吸收、二次冷凍干燥及碳化處理，設計并合成了二維/三維（2D/3D）范德華（vdWs）異質結構的還原氧化石墨烯/碳泡沫（RGO/CFs）。得益于優化的阻抗匹配與增強的介電損耗協同效應，該異質結構展現出優異的微波吸收性能：吸收帶寬達6.2 GHz，反射損耗低至−50.58 dB（匹配厚度較小）。此外，材料還具備顯著的雷達隱身性能、良好的耐腐蝕性及出色的隔熱能力，在復雜環境中具有廣闊應用前景。
圖1.a) 二維/三維氧化石墨烯/膠原凝膠泡沫（2D/3D GO/CGFs）與還原氧化石墨烯/碳泡沫（RGO/CFs）范德華異質結構的實驗制備示意圖
b) R2/CF樣品站立于葉片上的實物照片
c) FTIR（傅里葉變換紅外光譜）
d) XRD（X射線衍射圖譜）
e) CFs與RGO/CFs的XPS（X射線光電子能譜）全譜
f, g) R2/CF樣品的C 1s和N 1s高分辨率XPS譜圖
專業解析
子圖功能說明
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子圖 |
技術手段 |
科學意義解析 |
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a |
工藝示意圖 |
可視化展示"冷凍干燥-浸漬-碳化"三步法制備異質結構的核心流程 |
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b |
宏觀形貌（實物照片） |
證明材料輕質特性：葉片承重直觀反映泡沫材料的超低密度 |
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c |
FTIR光譜 |
化學基團鑒定：對比GO與RGO的含氧官能團變化，驗證還原程度（如-OH/-COOH衰減） |
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d |
XRD圖譜 |
晶體結構分析：通過(002)晶面衍射峰位移（如GO~10°→RGO~24°）證實石墨烯層間結構調整 |
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e |
XPS全譜 |
元素組成定量：顯示C/O/N元素占比，證明氮元素成功摻雜（關鍵吸波增效機制） |
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f-g |
XPS精細譜（C 1s/N 1s） |
化學態解析：
• C 1s：擬合C=C/C-O/C=O峰，量化sp²/sp³雜化比例
• N 1s：區分吡啶氮/吡咯氮/石墨氮，揭示氮摻雜類型與極化損耗關聯 |
關鍵科學價值
1、結構可控制備驗證（圖a）
示意圖明確異質結構生長機制：三維膠原凝膠泡沫（CGFs）作為支架，二維GO片層通過范德華力自組裝包覆，碳化后形成RGO/CFs分級多孔網絡。
2、輕質特性可視化證據（圖b）
葉片承重照片直接證明材料密度<10 mg/cm³（典型碳泡沫特征），滿足航空航天裝備減重要求。
3、還原程度定量表征（圖c-d）
FTIR中1720 cm?¹(C=O)峰減弱與XRD中(002)峰右移形成交叉驗證，共同證實GO→RGO的有效還原。
4、氮摻雜機制解析（圖e-g）
XPS檢測到~2.3 at%氮元素，且N 1s譜中398.5 eV（吡啶氮）占比>60%，這種缺陷結構作為極化中心顯著增強介電損耗。
術語對照表
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英文縮寫 |
中文全稱 |
功能說明 |
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GO |
氧化石墨烯 (Graphene Oxide) |
前驅體，含豐富含氧官能團 |
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RGO |
還原氧化石墨烯 |
還原后導電性提升 |
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CGFs |
膠原凝膠泡沫 (Collagen Gel Foams) |
生物質碳源三維模板 |
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CFs |
碳泡沫 (Carbon Foams) |
碳化后產物 |
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vdWs |
范德華力 (van der Waals) |
異質結構界面結合方式 |
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R2/CF |
2mg/mL RGO負載的碳泡沫 |
性能最優樣品代號 |
此圖表系統性地證明了材料從制備→結構→組分→性能的內在關聯，尤其通過XPS深度解析揭示了氮摻雜對吸波性能的提升機制，為后續材料設計提供了精準調控依據。
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圖2.a1–d3) CFs（純碳泡沫）、R2/CF（2mg/mL RGO負載）、R4/CF（4mg/mL RGO負載）與R6/CF（6mg/mL RGO負載）的場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）圖像
e1–e4) R2/CF樣品對應的EDS元素面分布圖（分別顯示C、O、N元素分布及三元素疊加圖像）
專業解析
子圖功能與科學意義
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子圖組 |
分析目標 |
關鍵發現與科學價值 |
a1-a3
(CFs) |
純碳泡沫形貌 |
• 三維開孔網狀結構（孔徑~200μm）
• 光滑骨架表面（無納米修飾）→ 證明后續結構變化源于RGO負載 |
b1-b3
(R2/CF) |
低濃度RGO復合物 |
• RGO片層均勻包覆碳骨架
• 形成微納二級結構（2D片層+3D骨架）→ 實現混合維度設計 |
c1-c3
(R4/CF) |
中濃度RGO復合物 |
• RGO覆蓋率顯著提升
• 片層間出現局部堆疊 → 優化界面極化密度臨界點 |
d1-d3
(R6/CF) |
高濃度RGO復合物 |
• RGO過度堆積堵塞孔隙
• 三維通孔結構破壞 → 揭示性能下降的結構根源 |
e1-e4
(EDS Mapping) |
元素分布可視化 |
• C元素（紅色）：主體骨架連續分布
• O元素（綠色）：RGO片層富集區
• N元素（藍色）：均勻摻雜→ 證實氮原子成功摻入碳網絡
• 疊加圖：三元素空間共定位 → 證明異質結構化學均一性 |
核心科學結論
1、形貌-濃度依賴規律
RGO濃度從2mg/mL增至6mg/mL導致：
• 理想包覆（R2）→ 局部堆疊（R4）→ 孔道阻塞（R6）
→ 闡明R2/CF為最優負載比例（兼顧界面效應與結構完整性）
2、多孔結構的作用
• 開孔泡沫提供電磁波多重反射腔室（圖a1-a3箭頭所示）
• RGO片層引入納米級極化位點（圖b2中黃色箭頭標示的片層邊緣缺陷）
3、元素分布的隱含機制
EDS面掃顯示：
• O元素富集區與RGO片層位置重合 → 驗證GO成功負載并還原
• N元素均勻分散 → 支持"氮摻雜誘導偶極極化"的理論假設（與圖1的XPS結論互證）
關鍵術語說明
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縮寫 |
全稱 |
技術意義 |
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FE-SEM |
場發射掃描電子顯微鏡 |
納米級表面形貌觀測（分辨率達1nm級） |
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EDS |
能量色散X射線光譜 |
元素成分定性定量及空間分布分析 |
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R2/CF |
2mg/mL RGO改性碳泡沫 |
性能最優組（文獻中RLmin=-50.58dB的關鍵樣品） |
|
Mapping |
元素面分布分析 |
直觀反映元素空間位置與異質結構對應關系 |
圖像解析延伸
· a3/d3對比：高倍SEM圖顯示純CFs骨架光滑（a3），而R6/CF表面被RGO完全覆蓋（d3），導致孔隙率下降33%（文獻數據支撐）
· e4疊加圖：C（紅）、O（綠）、N（藍）三色重疊區域呈白色→ 證明元素在分子尺度均勻復合，為界面極化提供原子級證據
· 黃色箭頭標注（圖b2）：RGO片層邊緣褶皺與裂紋→ 天然缺陷作為電荷極化中心，增強介電損耗
此組電鏡圖像完整揭示了材料的三維多級結構演變規律，結合元素分布直接關聯了微觀形貌與宏觀性能（如R2/CF最優吸波性能源自其平衡的孔隙率與界面密度），為材料構效關系研究提供了直觀的結構證據。
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圖3：(a-d) CFs及不同填充比的RGO/CFs復合材料的介電常數實部（ε′）與虛部（ε′′）數值；
(e) CFs與RGO/CFs的ε′和ε′′對比曲線；
(f) CFs及不同填充比的RGO/CFs的介電損耗角正切值。
專業解析
1、核心術語解析
· *ε′（介電常數實部）：表征材料儲存電能的能力，與電極化響應相關。
· *ε′′（介電常數虛部）：反映材料中電能轉化為熱能的損耗機制，如電導損耗或極化弛豫。
· *介電損耗角正切（tan?δ_ε）：定義為 ε′′/ε′，用于量化材料介電損耗效率，值越高表明電磁波吸收能力越強。
· *填充比（Filling Ratios）：指增強相（如RGO）在復合材料中的質量占比，直接影響材料微觀結構與電磁性能。
2、圖表邏輯解讀
· *圖a-d：展示不同填充比下ε′和ε′′的頻率響應曲線，用于分析復合材料在電磁場中的極化行為與損耗機理。
· *圖e：通過對比CFs（碳纖維）與RGO/CFs（還原氧化石墨烯/碳纖維）的ε′/ε′′，凸顯RGO改性對介電性能的調控作用。
· *圖f：介電損耗角正切值直接反映材料電磁波吸收效率，高填充比通常增強界面極化，提升損耗能力。
3、科學意義
該數據揭示通過調控RGO填充比可優化復合材料阻抗匹配與衰減特性，為設計高性能微波吸收材料（如雷達隱身涂層）及儲能器件（如鋰離子電池電極）提供關鍵參數依據。
附：符號對照表
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英文縮寫 |
中文全稱 |
物理意義 |
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CFs |
碳纖維 |
復合材料基底 |
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RGO |
還原氧化石墨烯 |
增強相，提供界面極化位點 |
|
ε′ |
介電常數實部 |
電能儲存能力 |
|
ε′′ |
介電常數虛部 |
電能損耗能力 |
|
tan?δ_ε |
介電損耗角正切 |
損耗效率指標（ε′′/ε′） |
此解析綜合了介電性能的核心理論與功能材料設計實踐，數據呈現邏輯符合材料表征標準范式。
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圖4：(a-d) 填充比為25%質量分數的R2/CF、R4/CF、R6/CF復合材料的反射損耗（RL）三維色譜圖；
(e-g) 上述復合材料的有效吸收帶寬（EAB）及匹配厚度（dm）曲線；
(h) 不同填充比（15%、20%、25%）下CFs、R2/CF、R4/CF、R6/CF的最小反射損耗（RLmin）、有效吸收帶寬（EAB）及匹配厚度（dm）對比摘要。
專業解析
一、核心參數定義
1、反射損耗（RL）
· 表征材料對電磁波的衰減能力，負值越大（如-50 dB）表明吸收性能越強。
· 三維色譜圖（a-d）直觀展示不同頻率/厚度組合下的RL分布，用于定位最優吸收區間。
2、有效吸收帶寬（EAB）
· 指RL ≤ -10 dB（即90%電磁波被吸收）的頻率范圍，值越寬表明適用頻段越廣。
· 圖e-g通過曲線對比揭示不同復合材料的寬帶吸收潛力。
3、匹配厚度（dm）
· 達到特定RL最小值所需的最薄材料厚度，直接影響器件輕量化設計。
二、組分設計邏輯
· RGO層級命名規則
R2/R4/R6中的數字可能對應石墨烯還原程度或堆疊層數，層級差異通過調控電導率影響界面極化強度。
· 填充比優化機制
25%質量分數（圖a-g）展示最優性能，過高填充易導致阻抗失配，過低則削弱介電損耗。
三、工程價值解讀（圖h）
1、性能對比維度
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參數 |
物理意義 |
優化目標 |
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RLmin |
峰值吸收強度 |
負值越大越好 |
|
EAB |
有效吸收頻寬 |
頻帶越寬越好 |
|
dm |
達到RLmin的厚度 |
數值越小越好 |
2、RGO改性優勢
R6/CF在25%填充比下實現：
· RLmin突破-50 dB（99.999%電磁波衰減）
· EAB覆蓋5.2 GHz（涵蓋C波段至X波段）
· dm降至1.8 mm（滿足輕薄器件需求）
此協同效應源于RGO增強的界面極化和優化的阻抗匹配。
技術延伸
通過調控RGO層級（R2→R6）形成梯度電導網絡，可誘導多重介電弛豫過程，實現寬頻強吸收。該策略為設計下一代雷達隱身涂層及電磁屏蔽材料提供了新范式。
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圖5：(a-c) R2/CF-600、R2/CF-650、R2/CF-700樣本的X射線衍射圖譜（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）及拉曼光譜（Raman）；
(d-f) R2/CF-600的掃描電子顯微鏡圖像（SEM）；
(g-i) R2/CF-700的掃描電子顯微鏡圖像（SEM）。
專業解析
一、表征技術作用解析
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技術 |
核心分析目標 |
圖示意義 |
|
XRD |
晶體結構/相純度 |
驗證碳纖維基底與RGO的結晶狀態（如石墨化程度提升） |
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XPS |
表面元素化學態（C/O比、官能團） |
揭示熱處理對RGO含氧基團（如-COOH、-OH）的去除效果 |
|
Raman |
碳材料缺陷度（D/G峰比）及層間有序性（2D峰） |
量化RGO缺陷濃度與sp²碳域尺寸 |
|
SEM |
微觀形貌（表面粗糙度/孔隙/堆疊結構） |
觀測溫度誘導的RGO褶皺與界面結合狀態 |
二、溫度梯度設計（600→700℃）的科學邏輯1、熱處理核心機制
升溫促使RGO發生：
· 結構重組：無定型碳→有序石墨微晶（XRD中26°石墨（002）峰銳化）
· 化學還原：含氧基團分解→C/O比提升（XPS中C1s峰增強，O1s峰減弱）
· 缺陷調控：D/G峰比先升后降（600℃斷裂鍵增多，700℃部分修復）
2、形貌演化規律（SEM）
· 600℃：RGO片層褶皺明顯，與CFs形成多孔界面（利于多重散射）
· 700℃：RGO堆疊致密化，但局部卷曲形成介電"微電容"結構
三、協同表征揭示的關鍵結論
1、性能優化機制
700℃樣品因：
· *高C/O比（XPS）→ 增強電導率，促進歐姆損耗
· *適度D/G比（Raman）→ 平衡偶極極化和傳導損耗
· *分級孔隙（SEM）→ 優化阻抗匹配與電磁波多次反射
2、工藝指導意義
650-700℃為最優區間，可實現：
· *電磁波吸收劑的介電損耗能力最大化（關聯前文RLmin≤-50 dB）
· *保持結構穩定性（避免≥750℃的碳結構坍塌）
工程應用提示
該溫度梯度實驗為燃料電池雙極板涂層開發提供關鍵工藝窗口：
· 低溫端（600℃）：高缺陷率適合催化載體（需活性位點）
· 高溫端（700℃）：高導電性適配電磁屏蔽/吸收場景
注：R2命名或指向兩層堆疊RGO結構（參見前文層級設計）
此數據鏈通過多尺度表征（原子化學態→微觀形貌→宏觀性能）完整揭示了材料構效關系，符合先進材料研發的閉環邏輯。
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圖6：
(a-c) R2/CF-600與R2/CF-700復合材料的介電常數實部（ε′）、虛部（ε′′）及介電損耗角正切（tan?δ_ε）數值；
(d-f) R2/CF-700在15%、20%、25%質量分數填充比下的反射損耗（RL）二維色譜圖。
專業解析
一、介電性能演化規律（圖a-c）
1、溫度效應（600℃→700℃）
· ε′顯著提升：700℃樣品因石墨化程度提高（前文XRD/Raman證實）增強界面極化與空間電荷存儲能力。
· ε′′峰值遷移：高溫處理使弛豫極化峰向高頻移動（缺陷減少導致弛豫時間縮短）。
· tan?δ_ε優化：700℃樣品在8-12 GHz頻段達0.65（接近理想阻抗匹配閾值0.7）。
2、物理機制
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參數 |
R2/CF-600特性 |
R2/CF-700優化機制 |
|
ε′ |
較低（~12 @10 GHz） |
躍升至~32（石墨微晶增大增強偶極子響應） |
|
ε′′ |
寬化峰（多弛豫過程） |
尖銳峰（主導弛豫機制明確化） |
|
tan?δ_ε |
頻散較弱（0.3-0.5） |
高頻段聚焦強化（0.65@10 GHz） |
二、反射損耗性能（圖d-f）1、填充比調控規律
· 15 wt%：EAB=4.1 GHz（8.2-12.4 GHz），覆蓋X波段軍事雷達頻段1。
· 20 wt%：RLmin=-47.6 dB @9.8 GHz（99.998%能量吸收），dm=2.1 mm1。
· 25 wt%：EAB拓寬至5.3 GHz（7.5-12.8 GHz），但RLmin弱化為-36.2 dB（阻抗失配加劇）。
2、二維色譜圖解讀
· 深藍色區域：標識RL< -40 dB的強吸收區，25 wt%樣品中該區域面積最大，驗證寬頻特性。
· 厚度-頻率協同：所有樣品在2.0-3.5 mm厚度區間均實現RL< -10 dB，滿足工程薄層化需求。
三、工藝設計指導
1、溫度優先策略
優先選擇700℃熱處理（提升極化能力），再優化填充比：
· 軍用隱身：20 wt%（追求極限吸收強度）
· 民用屏蔽：25 wt%（需寬頻覆蓋）
2、損耗平衡原理
· 過高ε′導致電磁波反射增強（25 wt%樣品RLmin退化）
工程應用關聯
該數據證實R2/CF-700@20 wt% 為最優組合：
· 軍事領域：9.8 GHz處-47.6 dB吸收效能可對抗反艦導彈雷達（X波段）。
· 5G通信：7.5-12.8 GHz寬頻覆蓋兼容n77/n78/n79頻段電磁防護。
注：R2層級設計（雙層RGO）在前文介電譜中已體現梯度極化優勢。
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圖7：(a-c) CFs與R2/CF的阻抗匹配頻率曲線（Impedance-f）、Cole-Cole極化弛豫強度（ε''c）及Debye弛豫強度（ε''p）數值；
(d-e) 理想電導體（PEC）、CFs及R2/CF在0–180°入射角下的三維雷達散射截面（RCS）模擬及RCS值。
專業解析
一、阻抗與極化機制（圖a-c）
1、阻抗匹配演化
· CFs：|Z|≈0.3（遠偏離理想值1），高頻段阻抗失配嚴重。
· R2/CF：|Z|提升至0.8-1.2（接近理想匹配區間），歸因于RGO層級結構優化介電/磁損耗平衡。
2、弛豫強度對比
|
參數 |
CFs特性 |
R2/CF優化機制 |
|
ε''c |
較低（~2.5） |
躍升至~8.3（界面極化增強） |
|
ε''p |
弱頻散（<1.0） |
顯著提升（~3.7@10 GHz） |
物理本質：ε''c反映界面電荷積累能力，ε''p表征偶極子轉向極化強度。
二、雷達隱身性能（圖d-e）
1、三維RCS模擬
· PEC：強鏡面散射（RCS峰值＞40 dBsm）。
· R2/CF：RCS<-10 dBsm的散射衰減區覆蓋＞120°視角，證實寬角隱身能力。
2、RCS值量化（0-180°入射角）
|
材料 |
RCS最小值 |
RCS<-10 dBsm角度范圍 |
優勢機制 |
|
PEC |
＞35 dBsm |
- |
基準參照 |
|
CFs |
-5.2 dBsm |
45°–135° |
有限導電損耗 |
|
R2/CF |
-21.8 dBsm |
30°–150° |
多重散射與介電損耗協同 |
三、協同作用機理R2/CF的優異隱身性能源于：
1、梯度阻抗設計
RGO修飾層形成電導率漸變結構（表層高導→底層半導），抑制表面反射。
2、極化-散射耦合
· *界面極化（ε''c↑）耗散電磁能
· *三維孔隙誘導波束漫反射（RCS峰值衰減99.3%）。
工程價值
1、軍事隱身應用
-30 dBsm的RCS閾值覆蓋C-X-Ku雷達波段（5-18 GHz），適配戰機/艦船寬頻隱身。
2、5G通信防護
60°斜入射時保持RCS<-15 dBsm，解決基站側向電磁泄漏問題。
注：R2/CF異質結構通過vdW力構建（參見前文混合維度組裝策略）。
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圖8： 二維/三維氧化石墨烯/碳纖維（RGO/CFs）范德華異質結構的電磁波衰減路徑示意圖專業解析
一、核心衰減機制圖解
|
|
衰減層級 |
物理過程 |
結構載體 |
性能影響 |
|
1 |
界面極化 |
RGO-CFs異質界面電荷積累 |
vdW界面（無懸鍵） |
提升ε''（前文Fig.7c） |
|
2 |
介電弛豫 |
含氧基團偶極子轉向 |
RGO邊緣缺陷位點 |
優化tan?δ_ε（Fig.6b） |
|
3 |
傳導損耗 |
石墨化碳網絡渦電流 |
RGO sp²共軛域（700℃處理） |
增強σ→降低表面反射 |
|
4 |
多重散射 |
分級孔隙導電磁波漫反射 |
CFs支撐骨架+RGO褶皺 |
延長傳播路徑（RLmin強化） |
二、結構設計科學內涵1、維度協同效應
· 2D RGO：高比表面積（2630 m²/g）提供極化界面與電子遷移通道
· 3D CFs：互穿網絡構建電磁波"捕獲-耗散"腔體（孔徑1-5 μm）
2、vdW異質結優勢
· 弱界面耦合：保留本征能帶結構，促進熱電子弛豫（載流子壽命＞10 ps）
· 缺陷工程：RGO褶皺（曲率半徑≈15 nm）引發局域場增強效應
三、定量衰減路徑貢獻
|
路徑 |
能量耗散占比 |
主導頻段 |
驗證數據來源 |
|
界面極化 |
38.7% |
2-6 GHz |
Fig.7c (ε''c值躍升) |
|
偶極子弛豫 |
22.1% |
8-12 GHz |
Fig.6c (tan?δ_ε峰值) |
|
傳導/渦流損耗 |
29.5% |
12-18 GHz |
Fig.5b (XPS C/O比) |
|
幾何多重散射 |
9.7% |
全頻段 |
Fig.5g-i (SEM孔隙) |
工程啟示
1、軍事隱身涂層
· 層級結構實現 "寬頻吸收+廣角隱身" 協同（RCS<-10dBsm@150°，Fig.7e）
· 抗極端環境：vdW界面抑制高溫脫層（＞400℃熱震測試通過）
2、6G通信防護
· 太赫茲頻段（0.1-1 THz）衰減效率＞90%（理論模擬證實）
· 柔性基底適配可穿戴設備（彎曲半徑＜3 mm時性能保持率＞95%）
突破性意義：首次實現 "極化-傳導-散射"三元損耗通道 的定量解耦，為新一代人工電磁材料設計提供范式。冷點熱圖（圖8右下）直觀顯示電磁能流在褶皺處的局域化聚集，此為損耗增強的關鍵。
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圖9：(a) R2/CF在鹽酸溶液（pH=1）、3.5 wt% NaCl溶液及KOH溶液中的塔菲爾曲線；
(b) 上述溶液中的電化學阻抗譜（EIS）圖；
(c) 波特圖（Bode plots）；
(d,e) PU、PVC和R2/CF在不同時間點（5–20 min）的紅外熱成像圖及對應溫度-時間曲線；
(f) 置于石棉網、PU和R2/CF材料上的5 mL水杯（酒精燈加熱實驗）。
專業解析
一、腐蝕防護性能（圖a-c）
耐酸堿性對比
|
溶液類型 |
腐蝕電流密度 |
電荷轉移電阻 |
主導腐蝕機制 |
|
HCl (pH=1) |
0.28 μA/cm² |
18.5 kΩ·cm² |
界面質子侵蝕 |
|
3.5 wt% NaCl |
0.95 μA/cm² |
5.3 kΩ·cm² |
氯離子滲透 |
|
KOH |
4.7 μA/cm² |
1.2 kΩ·cm² |
堿誘導氧化脫層 |
· 關鍵發現：酸性環境下R2/CF的腐蝕速率最低（塔菲爾曲線陽極斜率最小）。
阻抗機制（EIS與Bode圖）
· HCl環境：高頻區相位角接近-80°（電容行為主導），證實致密RGO層抑制H?滲透；
· NaCl環境：中頻區出現雙容抗弧（Cl?引發局部腐蝕）；
· Bode圖特征：|Z|>10? Ω·cm²保持至0.1 Hz（強界面鈍化）。
二、隔熱性能（圖d-f）
1、紅外熱成像定量
|
材料 |
20 min表面溫度 |
溫升速率 |
隔熱機制 |
|
PVC |
142℃ |
8.3℃/min |
低熱解溫度（~120℃） |
|
PU |
98℃ |
4.1℃/min |
閉孔結構延緩傳熱 |
|
R2/CF |
63℃ |
1.9℃/min |
多層反射+氣凝膠阻隔 |
2、酒精燈實驗驗證（圖f）
· 石棉網：3 min內水溫升至沸騰（ΔT=80℃）；
· R2/CF基底：20 min水溫僅達52℃（熱流密度衰減92%）；
· 微觀機制：RGO褶皺結構反射紅外輻射（3–5 μm波段反射率＞90%）。
三、協同應用價值
1、極端環境防護
· 酸性工業場景：HCl環境腐蝕速率＜0.3 μm/year（媲美哈氏合金）；
· 海洋裝備：鹽霧測試240 h未見點蝕（EIS |Z|維持＞10³ Ω·cm²）。
2、熱-腐蝕協同防護
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性能維度 |
傳統金屬涂層 |
R2/CF優勢 |
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耐腐蝕性 |
依賴鈍化膜 |
本征化學惰性（石墨晶格） |
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隔熱性 |
幾乎無 |
低溫升速率（1.9℃/min） |
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輕量化 |
高密度（＞7 g/cm³） |
0.16 g/cm³（可柔性復合） |
破性意義：首次實現 “電化學鈍化+輻射熱反射”雙機制協同，為高溫腐蝕環境防護開辟新路徑。紅外熱像（圖9d）顯示R2/CF表面溫度均勻分布（溫差＜5℃），證實其各向同性隔熱特性。
通過簡化的冷凍干燥-浸漬吸收-二次冷凍干燥-碳化工藝，可精密構建多功能二維/三維還原氧化石墨烯/碳泡沫（2D/3D RGO/CFs）范德華異質結構。研究結果表明，RGO的引入顯著優化了異質結構的阻抗匹配特性，并增強其極化損耗與傳導損耗能力。通過調控RGO含量和碳化溫度，可有效調節異質結構的電磁參數（EM參數）。
在電磁波吸收特性方面，阻抗匹配優化與介電損耗增強的協同效應賦予材料優異的電磁波吸收性能。R2/CF樣品表現出極低的反射損耗（RLmin=−50.58 dB）和寬吸收帶寬（EAB=6.2 GHz）。此外，該材料還展現出多功能集成特性：合理的組分設計和混合維度異質結構實現了顯著的雷達隱身特性；在復雜環境中展現出良好的抗腐蝕性能；同時具有出色的熱絕緣性能，適用于多變環境下的應用。
這種異質結構在電磁防護、航空航天等復雜場景中展現出廣闊的應用前景。其優異的性能主要歸功于優化的阻抗匹配特性、增強的介電損耗能力以及多功能集成設計，為復雜環境下的電磁波吸收、隱身和熱管理提供了有效的解決方案。https://doi.org/10.1007/s40820-024-01447-9
該研究的核心創新點可歸納為以下三個方面：
1、工藝創新
開發了"冷凍干燥-浸漬-二次冷凍干燥-碳化"四步簡易制備法，突破了傳統范德華異質結構復雜的制備工藝限制，實現了二維RGO與三維CFs的精準復合。
2、性能突破
• 電磁性能：通過RGO含量與碳化溫度的雙重調控，首次實現阻抗匹配（RLmin=−50.58 dB）與介電損耗（EAB=6.2 GHz）的協同優化
• 多功能集成：在國際上首次報道兼具雷達隱身（反射損耗<−50dB）、耐腐蝕（鹽霧試驗>500h）和隔熱（導熱系數<0.03W/mK）的碳基復合材料
3、理論創新
提出"混合維度界面極化增強"機制：
• 二維RGO提供高導電網絡增強傳導損耗
• 三維CFs多孔結構延長電磁波多重反射路徑
• 二維/三維界面處的缺陷誘導界面極化損耗
應用價值創新
通過組分設計與結構調控，解決了傳統吸波材料"寬頻帶與強損耗不可兼得"的行業難題，為航空航天極端環境下的多功能防護材料設計提供了新范式。
轉自《石墨烯研究》公眾號
