​ 中北大學《Carbon》3D納米纖維，實現(xiàn)優(yōu)異電磁波吸收性能！

來源：材料科學與工程

在過去的十年中，微波吸收材料由于在醫(yī)療保健和電子器件保護中的廣泛使用而受到廣泛關注。隨著5G時代的到來，迫切需要具有輕薄、寬吸收頻帶和強吸收性的微波吸收材料。由于微波吸收特性與復介電常數(shù)、復磁導率及其合適的阻抗匹配密切相關，因此單一介電材料或磁性材料很難獲得所需的性能。大多數(shù)吸波材料同時具有介電和磁性特性，可以通過介電損耗和磁損耗有效吸收微波。

最近，三維（3D）結(jié)構(gòu)納米纖維由于其在能源和電子領域的巨大潛力而受到極大關注。與1D納米纖維相比，3D納米纖維顯示出更大的比表面積和更豐富的界面，并且制造3D導電網(wǎng)絡以誘發(fā)導電損耗更容易。特別是，具有垂直對齊的邊緣平面的3D石墨烯納米纖維具有大量的結(jié)構(gòu)缺陷和強介電極化，這會增加時變電磁場中的微波吸收損耗。如果可以構(gòu)建具有垂直對齊的石墨烯邊緣平面的3D磁性納米纖維，它可以同時展現(xiàn)3D納米纖維的多種微波吸收機制和尺寸優(yōu)勢。因此，這種具有特殊結(jié)構(gòu)的3D納米纖維在低填料含量下顯示出高效的微波吸收能力。然而，它僅可通過化學氣相沉積（CVD）方法得到，通過一種簡便的策略來制備具有垂直對齊的石墨烯邊緣平面的3D磁性納米纖維仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

研究成果
針對上述問題，近日，中北大學、四川大學和鄭州大學等單位的研究人員通過自組裝制備出具有分層核殼結(jié)構(gòu)和垂直排列的石墨烯邊緣平面的三維（3D）還原氧化石墨烯/鎳（rGO/Ni）納米纖維。電磁多功能鎳鏈形成3D納米纖維的骨架，而2D rGO納米片包裹在1D Ni鏈上，通過靜電自組裝結(jié)合還原方法形成3D rGO/Ni納米纖維。與原始的Ni鏈或rGO薄片相比，獨特的垂直排列的石墨烯邊緣平面使3D rGO/Ni納米纖維具有更大的比表面積和3D納米纖維之間的交錯區(qū)域。分層的核-殼結(jié)構(gòu)還提供了rGO和Ni鏈之間的豐富界面，賦予3D rGO/Ni納米纖維有效的界面極化損耗。

結(jié)果表明，3D rGO/Ni納米纖維表現(xiàn)出出色的微波吸收性能。在2 mm的厚度下，僅含15 wt％納米纖維的最小反射損耗達到-50.52 dB，有效吸收帶寬達到4.2 GHz。此外，由于3D rGO/Ni納米纖維具有特殊的邊緣平面結(jié)構(gòu)，因此它們還具有出色的分散性。這項工作為設計高性能微波吸收材料提供了有效的策略，并有望在有效的電子保護中得到應用。相關工作以“Self-assembled reduced graphene oxide/nickel nanofibers with hierarchical core-shell structure for enhanced electromagnetic wave absorption”為題發(fā)表在國際著名期刊《Carbon》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0008622320305480

研究內(nèi)容

圖1. 3D rGO/Ni納米纖維的制備流程示意圖

圖2. SEM與TEM表征

為了研究鎳鏈和3D rGO/Ni納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)，進行了SEM和TEM表征。隨著rGO含量的增加，垂直排列的邊緣平面的數(shù)量增加，這可以提高rGO/Ni納米纖維的比表面積。隨著rGO含量的增加，涂覆的rGO層也從半透明變?yōu)椴煌该鳎@表明rGO層的厚度增加了。合適的rGO/Ni比和rGO-Ni靜電相互作用在成功構(gòu)建3D rGO/Ni納米纖維中起關鍵作用。

圖3. 吸波性能表征

圖4 吸波機理分析

對于rGO/Ni比例為1：3的3D rGO/Ni納米纖維，RL 最低值在14.9 GHz時達到-50.52 dB，匹配厚度為2.0 mm，相應的有效吸收帶寬為4.2 GHz（11.9-16.1 GHz）。有效調(diào)節(jié)復介電常數(shù)和磁導率可提供良好的阻抗匹配，從而允許更多的微波滲透到吸收體中。由于具有尺寸優(yōu)勢的3D rGO/Ni納米纖維易于構(gòu)建導電網(wǎng)絡，因此遷移電子和跳躍電子可以輕松轉(zhuǎn)移，從而導致隨時間變化的電磁場感應電流在導電網(wǎng)絡中迅速衰減并轉(zhuǎn)換為熱能。垂直排列的石墨烯邊緣平面和分層的核-殼結(jié)構(gòu)設計大大提高了相鄰納米纖維的界面以及rGO和Ni鏈的界面極化損耗。此外，各種形式的磁損耗也增強了微波吸收。因此，這種具有特殊結(jié)構(gòu)設計的新穎3D rGO/Ni納米纖維可實現(xiàn)出色的吸波性能。

四、研究小結(jié)

通過簡便的濕法化學合成和靜電自組裝方法成功地合成了具有分層核-殼結(jié)構(gòu)和垂直排列的石墨烯邊緣平面的3D rGO/Ni納米纖維。這種獨特的3D rGO/Ni納米纖維由于具有大的比表面積和有效的界面極化損耗，因此具有高效的微波吸收特性。通過調(diào)節(jié)rGO/Ni的質(zhì)量比，可以簡單地控制納米纖維的3D微觀結(jié)構(gòu)和吸收性能。rGO/Ni質(zhì)量比為1：3時，在僅含15 wt％rGO/Ni納米纖維的情況下，可實現(xiàn)-50.52 dB的衰減，并且在2.0 mm的較薄匹配厚度下，有效吸收帶寬達到4.2 GHz。這項工作為設計適用于高效電子器件保護的高性能微波吸收材料提供了有效的策略。

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