由于碳材料具有優異的介電(diàn)性能、良好的複合特性、特殊的微觀結構、較低的比重、較強的化學穩定性以及使用便捷、維護簡單等優點，在雷達吸波領域有着廣闊的應用前景，已逐漸成爲學界與工(gōng)業界所追逐的熱點研究對象與應用方向。但單一(yī)碳材料介電(diàn)常數較大(dà)，不利于阻抗匹配，導緻其吸波性能較差，而且作爲納米材料，碳材料之間的團聚程度高，難以均勻分(fēn)散在基體(tǐ)當中(zhōng)。通過制備碳基複合材料來調節其電(diàn)磁參數，提高阻抗匹配程度并改善分(fēn)散性，有望獲得輕質、高效的吸波材料。在最近三年的時間内，國内科學家們針對上述問題開(kāi)展了大(dà)量的研究工(gōng)作，下(xià)面就一(yī)起來回顧與總結碳基吸波材料的最新研究進展。
1.石墨烯基複合吸波材料
石墨烯是以sp2雜(zá)化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維材料，由于其獨一(yī)無二的結構，石墨烯有一(yī)系列突出的物(wù)理和化學特性，比如高的電(diàn)導率、熱穩定性、耐腐蝕性、大(dà)的比表面積、高的機械強度和卓越的光學性能。這些特性使石墨烯成爲很有前景的吸波材料。通過氧化還原法制備成的還原氧化石墨烯具有大(dà)量的缺陷和殘留的官能團使石墨烯的電(diàn)導率降低，同時這些缺陷和官能團的出現可以産生(shēng)費(fèi)米能級的局域化态，有利于電(diàn)磁波的吸收和衰減。且還原氧化石墨烯基的複合材料具有三維分(fēn)層結構，易實現電(diàn)子傳輸，具有強烈的極化損耗。但是其本身較大(dà)的介電(diàn)常數，對電(diàn)磁波的損耗産生(shēng)了不利的影響，降低了阻抗匹配程度。利用其巨大(dà)的比表面積以及獨特的分(fēn)子結構與其他材料相結合得到協同增強複合材料，可以改善石墨烯阻抗匹配和分(fēn)散特性等問題。
Ying Wang等[1]爲了克服石墨烯阻抗匹配差和易團聚等問題，成功制備出了基于無定形碳球（ACMs）和還原氧化石墨烯（rGO）的夾層狀石墨烯基複合材料（如圖1所示）。rGO / ACMs / rGO複合物(wù)在2.0-18.0 GHz頻(pín)率範圍内呈現出優越的吸波特性，研究結果表明，獨特的微觀結構引起的多次反射和界面極化是微波吸收增強的原因。更重要的是，rGO / ACMs / rGO經過長時間的高溫處理後後仍表現出良好的吸波性能。這項工(gōng)作爲探索高吸收且耐用的石墨烯基複合吸波材料提供了新的思路。
Fang Ye等[2]将CH3OH作爲前軀體(tǐ)，使用簡單的化學氣相沉積（CVD）法使石墨烯（ERG）直接生(shēng)長在多孔Si3N4陶瓷上，CH3OH的大(dà)O / C原子比有助于營造溫和的氧化氣氛，形成獨特的納米平面結構，促使ERG / Si3N4複合吸收劑具有良好的阻抗匹配特性和較強的損耗能力（如圖2）。研究結果表明，此吸收劑表現出優越的電(diàn)磁波吸收性能，遠遠超過傳統CVD石墨烯和還原氧化石墨烯材料，在較少填充含量，厚度爲3.75mm的條件下(xià)，可實現4.2 GHz的有效吸收帶寬，覆蓋整個X波段。
2.碳納米管基複合吸波材料
碳納米管是由碳原子的六角點陣二維石墨片繞中(zhōng)心軸按一(yī)定的螺旋角卷曲而成的無縫管狀結構，具有較大(dà)的比表面積、低比重、小(xiǎo)直徑、高縱橫比、高電(diàn)導率、高機械強度的一(yī)維介電(diàn)損耗材料，碳納米管的吸波機理主要是其作爲偶極子在電(diàn)磁場作用下(xià)會産生(shēng)耗散電(diàn)流，在周圍的基體(tǐ)作用下(xià)，耗散電(diàn)流被衰減，使得電(diàn)磁波能量轉化成熱能耗散掉。因此它在吸波材料中(zhōng)的應用具有很大(dà)的前景。碳納米管特殊的表面效應利于改性和負載磁性金屬粒子，可以調節其阻抗匹配和分(fēn)散性能。
Lei Wang等[3]通過簡單的水熱法成功合成了包裹多壁碳納米管的空心立方體(tǐ)ZnSnO3複合材料（ZSO @ CNTs）（如圖3）。作者研究了不同的反應溫度下(xià)ZSO @ CNT複合材料的複介電(diàn)常數特性以優化複合材料形貌來增強微波吸收性能。研究結果表明，ZSO @ CNT-130°C複合材料在13.5 GHz時，最大(dà)反射損耗可達-52.1 dB，并在厚度僅爲1.6mm時，吸收帶寬可達3.9GHz。從1至5 mm調整模拟厚度，ZSO @ CNT複合材料的有效吸收帶寬（RL <-10 dB）可達到14.16 GHz（2-18 GHz的88.8％）。研究發現，優異的微波吸收性能歸因于極化，傳導損耗和特殊空心籠結構之間的協同效應。本文提出的特殊可控結構爲實現高性能微波吸收劑提供有效途徑。
圖3. ZSO @ CNTs複合材料微波損耗機制
3.多孔碳基複合吸波材料
納米多孔碳材料因其豐富的空隙、大(dà)比表面積及易于設計等特點在工(gōng)業上展現出巨大(dà)的應用潛力，而通過調控其組成結構以獲得更優的性能并實現制備成本的控制一(yī)直是研究的重點。有序介孔碳材料擁有大(dà)的表面積、高孔隙率、統一(yī)可調的孔徑大(dà)小(xiǎo)、具有催化、吸收、分(fēn)散、儲存和超級電(diàn)容器的功能。有序介孔碳作爲吸波材料主要的優勢有以下(xià)兩點：（1）多孔結構有利于降低密度和複介電(diàn)常數，導緻大(dà)多數電(diàn)磁波可以進入有序介孔碳；（2）有序和平行的孔壁引起電(diàn)磁波散射，進一(yī)步增加了對電(diàn)磁波的吸收。但是，有序介孔碳是一(yī)個典型的介電(diàn)損耗材料，沒有磁損耗，進一(yī)步限制了其在吸波材料領域中(zhōng)的應用。
Hailong Xu等[4]采用熱解和蝕刻法合成具有獨特内部空隙和介孔殼的類紅細胞結構-介孔碳中(zhōng)空微球（RBC-PCHMs）。以酚醛樹(shù)脂作爲基體(tǐ)，填充10wt％的RBC-PCHM，當樣品厚度<2mm，溫度爲300至523 K時，在X波段表現出的有效吸收帶寬（反射損耗小(xiǎo)于-10dB）大(dà)于3GHz。極化損耗随着溫度的升高而降低，而導電(diàn)損耗卻相反，說明在一(yī)定溫度下(xià)有助于阻抗匹配性能的提高。研究結果表明，具有紅色血細胞樣形态的介孔碳空心球很有可能成爲高效的輕質耐高溫微波吸收劑（如圖4）。
耗和導電(diàn)損耗的微波衰減控制模型
金屬有機框架(MOFs)作爲一(yī)種新型的晶态多孔材料，具有組成可調、結構多樣、孔徑可控等特點，在催化、能量儲存和轉化、氣體(tǐ)儲存、環境修複等諸多方面受到了廣泛的關注。特别地，基于MOFs的結構與組成，其常被用作制備各種形式的納米多孔碳材料以及新的多功能碳基複合材料的通用前體(tǐ)，與單個組件組裝的複合材料相比，它往往表現出更優越的功能特性。
Wei Liu等[5]以Cu3(btc）2爲前驅體(tǐ)将金屬Co納米粒子引入碳基體(tǐ)中(zhōng)來充分(fēn)利用高孔隙結構制備Cu/C/Co複合吸波材料。通過改變Co的起始用量，調整最終材料的成分(fēn)，可以有效的控制電(diàn)磁特性。研究結果表明，改進的等效電(diàn)路模型說明了采用多種衰減機制可以實現優異的反射損耗性能，通過改變界面面積和電(diàn)導率來優化界面極化，可以獲得覆蓋整個X波段的複合材料且通過改善阻抗匹配和增強傳導損耗幾乎可以覆蓋整個Ku波段（12.3至18GHz，厚度爲1.85mm）（如圖5所示）。綜上，本文不僅制備了高性能輕質微波吸收材料，還爲擴展MOF衍生(shēng)的碳複合材料的功能性鋪平了道路。