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

來源：材料科學(xué)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(hù)中的廣泛使用而受到廣泛關(guān)注。隨著5G時(shí)代的到來，迫切需要具有輕薄、寬吸收頻帶和強(qiáng)吸收性的微波吸收材料。由于微波吸收特性與復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率及其合適的阻抗匹配密切相關(guān)，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(shí)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(lǐng)域的巨大潛力而受到極大關(guān)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以誘發(fā)導(dǎo)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(qiáng)介電極化，這會(huì)增加時(shí)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(shí)展現(xiàn)3D納米纖維的多種微波吸收機(jī)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(xué)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

研究成果
針對上述問題，近日，中北大學(xué)、四川大學(xué)和鄭州大學(xué)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(dú)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(cuò)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(dá)到-50.52 dB，有效吸收帶寬達(dá)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(xiàng)工作為設(shè)計(jì)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(hù)中得到應(yīng)用。相關(guān)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(jìn)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�，這表明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(guān)鍵作用。

圖3. 吸波性能表征

圖4 吸波機(jī)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(shí)達(dá)到-50.52 dB，匹配厚度為2.0 mm，相應(yīng)的有效吸收帶寬為4.2 GHz（11.9-16.1 GHz）。有效調(diào)節(jié)復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此遷移電子和跳躍電子可以輕松轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致隨時(shí)間變化的電磁場感應(yīng)電流在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(qiáng)了微波吸收。因此，這種具有特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新穎3D rGO/Ni納米纖維可實(shí)現(xiàn)出色的吸波性能。

四、研究小結(jié)

通過簡便的濕法化學(xué)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(dú)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(shí)，在僅含15 wt％rGO/Ni納米纖維的情況下，可實(shí)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(dá)到4.2 GHz。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)適用于高效電子器件保護(hù)的高性能微波吸收材料提供了有效的策略。

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