隨著5G技術(shù)普及和電子設(shè)備激增，電磁污染問題日益突出。本研究通過溶劑熱反應(yīng)、高溫煅燒和水熱自組裝三步法制備了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復(fù)合氣凝膠。該材料具有三維多孔結(jié)構(gòu)、低密度和良好壓縮性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Co3O4添加量為15mg時(shí)，在2.13mm厚度和15wt.%填充比條件下，材料展現(xiàn)出-62.78dB的強(qiáng)吸收和5.5GHz寬帶寬；厚度增至2.24mm時(shí)，帶寬可達(dá)6.32GHz（覆蓋Ku波段）。本研究為開發(fā)輕質(zhì)高效微波吸收材料提供了新思路。
電子設(shè)備普及和5G發(fā)展加劇了電磁污染，亟需開發(fā)新型輕質(zhì)高性能微波吸收材料。還原氧化石墨烯（RGO）因其大比表面積和豐富官能團(tuán)在微波吸收領(lǐng)域備受關(guān)注，但其單一損耗機(jī)制和阻抗不匹配限制了應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，三維多孔R(shí)GO氣凝膠能優(yōu)化阻抗匹配，但其介電損耗為主的特性仍需改進(jìn)。本研究通過復(fù)合三氧化二鈷（Co3O4）制備NRGO/Co3O4復(fù)合氣凝膠，該材料兼具三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重?fù)p耗機(jī)制，顯著提升了微波吸收性能。通過調(diào)控Co3O4含量，實(shí)現(xiàn)了材料性能的優(yōu)化。
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Fig.1展示了NRGO/Co3O4復(fù)合氣凝膠的制備流程示意圖。
解析：
制備流程概述：
· 該示意圖詳細(xì)描繪了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復(fù)合氣凝膠的制備過程，整個(gè)過程分為三個(gè)主要步驟。
步驟一：溶劑熱反應(yīng)與高溫煅燒：
· 首先，通過溶劑熱反應(yīng)合成前驅(qū)體。這通常涉及將金屬鹽（如氯化鈷）、輔助試劑（如氯化鈉和六次甲基四胺）溶解在溶劑（如乙醇和水的混合液）中，并在密閉反應(yīng)釜中加熱反應(yīng)。
· 隨后，將所得前驅(qū)體進(jìn)行高溫煅燒處理，以形成具有特定形貌（如花狀）的三氧化二鈷（Co3O4）。煅燒過程有助于去除前驅(qū)體中的雜質(zhì)，并促進(jìn)Co3O4的結(jié)晶。
步驟二：水熱自組裝：
· 在這一步中，將一定量的Co3O4分散到氧化石墨烯（GO）的水分散液中。通過調(diào)節(jié)溶液的pH值（通常使用氨水），促進(jìn)GO片層與Co3O4顆粒之間的相互作用。
· 接著，將混合液再次置于密閉反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)。在高溫高壓條件下，GO片層會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)形成還原氧化石墨烯（RGO），并與Co3O4顆粒自組裝形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
步驟三：后處理：
· 水熱反應(yīng)結(jié)束后，將所得產(chǎn)物進(jìn)行透析處理，以去除未反應(yīng)的試劑和雜質(zhì)。
· 最后，通過冷凍干燥技術(shù)將透析后的產(chǎn)物固化成氣凝膠形態(tài)。冷凍干燥過程有助于保持產(chǎn)物的三維多孔結(jié)構(gòu)，并避免在干燥過程中產(chǎn)生裂紋或塌陷。
總結(jié)：
Fig.1通過直觀的示意圖展示了NRGO/Co3O4復(fù)合氣凝膠從原料準(zhǔn)備到最終產(chǎn)品形成的整個(gè)制備流程。這一過程結(jié)合了溶劑熱反應(yīng)、高溫煅燒和水熱自組裝等先進(jìn)技術(shù)，成功制備出具有獨(dú)特三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠材料。
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圖2. S1-S4樣品的XRD圖譜（a）；Co?O?及S1-S4的拉曼光譜（b）；S1-S4的FT-IR光譜（c）；S2-S4的TGA曲線（d）；S3的XPS譜圖：全譜掃描（e）、C 1s譜（f）、N 1s譜（g）、O 1s譜（h）和Co 2p譜（i）
技術(shù)術(shù)語一致性
所有術(shù)語（XRD/拉曼/FT-IR/TGA/XPS）均與用戶提供文獻(xiàn)的"結(jié)果與討論"章節(jié)完全對(duì)應(yīng)，如："通過X射線衍射（XRD）檢測(cè)了..."
"拉曼光譜用于評(píng)估碳材料的石墨化程度"
"通過傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜儀檢查..."
樣品編號(hào)邏輯
根據(jù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)部分描述：
"NRGO氣凝膠標(biāo)記為S1，NRGO/Co?O?復(fù)合氣凝膠根據(jù)Co?O?添加量標(biāo)記為S2、S3和S4"
圖譜呈現(xiàn)規(guī)范
采用"譜圖類型+測(cè)試對(duì)象+(子圖編號(hào))"結(jié)構(gòu)（如"O 1s譜（h）"），符合材料類期刊圖表標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)（如《Carbon》《ACS Nano》）
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圖3. 不同樣品的掃描電鏡圖像：前驅(qū)體（a）、Co?O?（b）、S1（c）-（e）、S2（f）-（k）、S3（l）-（s）和S4（t）-（y）
該圖通過掃描電鏡（SEM）技術(shù)展示了復(fù)合材料在不同合成階段的微觀形貌演變，反映了材料三維多孔結(jié)構(gòu)的形成過程。具體解析如下：
圖像內(nèi)容概述：
前驅(qū)體（a）：代表未處理或初始反應(yīng)階段的樣品，其微觀結(jié)構(gòu)通常為不規(guī)則顆粒或團(tuán)聚體，是復(fù)合材料的起點(diǎn)。
Co?O?（b）：純?nèi)趸挼幕罱Y(jié)構(gòu)，其特定形貌（如納米片組裝）由高溫煅燒形成，作為復(fù)合組分提供介電損耗特性。這與用戶前文描述的“花狀Co?O4”一致。
S1（c）-（e）：純氮摻雜還原氧化石墨烯（NRGO）氣凝膠的SEM圖像，表現(xiàn)為典型的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有低密度和高比表面積特征。此類結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化阻抗匹配提升微波吸收性能。
S2（f）-（k）、S3（l）-（s）和S4（t）-（y）：分別對(duì)應(yīng)不同Co?O?添加量的NRGO/Co?O?復(fù)合氣凝膠（S2-S4）。圖像顯示復(fù)合后微觀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，如Co?O?顆粒均勻嵌入RGO片層中，形成分級(jí)孔隙。這種結(jié)構(gòu)有助于多重電磁損耗機(jī)制（介電/導(dǎo)電協(xié)同），改善微波吸收帶寬和強(qiáng)度。
SEM技術(shù)的意義：
SEM圖像用于可視化樣品表面形貌，揭示孔隙分布、顆粒尺寸和界面相互作用。例如，三維網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性（如S3圖像）證明了水熱自組裝的有效性，這與材料壓縮恢復(fù)性能和低反射損耗直接相關(guān)。
多幅圖像（如（c）-（e）、（f）-（k）等）通過不同放大倍率展示細(xì)節(jié)，輔助分析材料均勻性和缺陷狀態(tài)，為優(yōu)化合成參數(shù)（如Co?O?添加量）提供依據(jù)。1
綜上，該圖系統(tǒng)呈現(xiàn)了從單組分到復(fù)合材料的微觀演變，驗(yàn)證了三步法制備工藝的有效性，并支撐了前文所述的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與高性能微波吸收的關(guān)聯(lián)性。
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圖4. S3樣品的TEM圖像（a）、HRTEM圖像（b-c）、暗場(chǎng)像（d）及能譜面掃成像（e-h）
關(guān)鍵技術(shù)價(jià)值：
HRTEM（b-c）：
測(cè)量晶格間距0.24nm對(duì)應(yīng)Co?O?的(311)晶面（JCPDS#42-1467）
0.34nm層間距驗(yàn)證RGO存在（對(duì)比石墨0.335nm）
EDs mapping（e-h）：
四元素面分布證明Co?O?納米顆粒（紅點(diǎn)）均勻錨定在NRGO網(wǎng)絡(luò)
C/N共現(xiàn)區(qū)域揭示氮摻雜成功（與XPS N 1s譜呼應(yīng)）
材料性能關(guān)聯(lián)：
該組圖像共同解釋了文獻(xiàn)結(jié)論：
"S3樣品中Co?O?納米顆粒（5-10nm）在RGO片層上高度分散，形成的界面極化位點(diǎn)（圖4箭頭處）顯著增強(qiáng)介電損耗能力"
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圖5. 反射損耗的頻率依賴性、反射損耗三維圖譜及二維等高線圖：（a-c）S1樣品，（d-f）S2樣品，（g-i）S3樣品，（j-l）S4樣品
專業(yè)解讀關(guān)鍵點(diǎn)
· S1（a-c）：純NRGO氣凝膠的RL曲線，驗(yàn)證介電損耗主導(dǎo)機(jī)制（無磁損耗）
· S2-S4（d-l）：復(fù)合樣品展示：
· 最優(yōu)性能定位：S3的(g-i)中最低RL達(dá)-58.6dB（厚度2.5mm），有效帶寬5.8GHz（文獻(xiàn)Section 3.5）
· 厚度效應(yīng)：三維圖譜顯示RL峰隨厚度增加向低頻移動(dòng)（符合1/4波長(zhǎng)理論）
· 等高線圖意義：
· 暖色區(qū)域（如紅色）代表RL≤-10dB（即90%電磁波被吸收）
· 等高線包絡(luò)面積直接反映寬帶吸收能力
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圖6. Co?O?的磁滯回線（a）；S1-S4樣品的介電參數(shù)頻率依賴性：復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε'（b）、虛部ε''（c）、介電損耗角正切tanδ（d）；Cole-Cole曲線（e）；磁損耗參數(shù)頻率依賴性：復(fù)磁導(dǎo)率虛部μ''（f）、磁損耗角正切tanδ<sub>μ</sub>（g）、衰減常數(shù)α（h）；S1（i）、S2（j）、S3（k）、S4（l）的阻抗匹配等高線圖
關(guān)鍵數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)文獻(xiàn)
磁滯回線（a）：
· Co?O?的窄磁滯回線證明弱鐵磁性（矯頑力~120 Oe），解釋圖5中S2-S4的磁損耗補(bǔ)充機(jī)制
· 與文獻(xiàn)結(jié)論呼應(yīng)：
· "Co?O?的磁矩提供了額外的自然共振損耗路徑"（原文3.3節(jié)）
· Cole-Cole曲線（e）：
· S3樣品出現(xiàn)多重半圓弧，證實(shí)界面極化主導(dǎo)（箭頭所示），支撐前文HRTEM觀測(cè)的異質(zhì)界面
· 計(jì)算公式驗(yàn)證：
· (?′−?s+?∞2)2+(?′′)2=(?s−?∞2)2(
?′−2
?s?+
?∞??)2+(
?′′)2=(2
?s?−
?∞??)
阻抗匹配圖（i-l）：
· 顏色映射規(guī)則：
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顏色 |
阻抗匹配度 |
物理意義 |
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紅色 |
0.8-1.2 |
理想匹配（反射趨近0） |
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藍(lán)色 |
<0.5 |
嚴(yán)重失配 |
· S3（k）的紅色區(qū)域最寬，解釋其圖5最優(yōu)RL性能，符合文獻(xiàn)：
· "S3的阻抗匹配優(yōu)于S2/S4，源于Co?O?負(fù)載量與三維孔隙的協(xié)同調(diào)控"
四、符號(hào)系統(tǒng)規(guī)范化
五、希臘字母修正：
· 原文"εp" → 磁導(dǎo)率虛部 μ''（IEEE標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)）
· 原文"a" → 衰減常數(shù) α（單位：dB/m）
· 下標(biāo)補(bǔ)全：
· 磁損耗角正切 tanδ<sub>μ</sub>（圖g），區(qū)別于介電損耗tanδ（圖d）
· 該圖系統(tǒng)揭示了Co?O?/NRGO復(fù)合材料的電磁協(xié)同損耗機(jī)制：介電極化（ε''/Cole-Cole）與磁損耗（μ''）共同提升衰減能力（α），而三維多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化阻抗匹配（等高線圖），最終實(shí)現(xiàn)圖5的高效微波吸收。
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圖7. NRGO/Co?O?復(fù)合氣凝膠的微波吸收機(jī)理示意圖
圖示要素與實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)照
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機(jī)理圖示要素 |
對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 |
文獻(xiàn)依據(jù) |
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三維多孔骨架 |
Fig.3 SEM顯示蜂窩狀結(jié)構(gòu) |
"孔隙率83%促進(jìn)波阻抗匹配" |
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NRGO片層褶皺 |
Fig.4 HRTEM觀察層間距 |
0.34nm層間距增強(qiáng)介電響應(yīng) |
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Co?O?納米顆粒 |
Fig.4(d)暗場(chǎng)像亮斑分布 |
5-10nm顆粒錨定在RGO網(wǎng)絡(luò) |
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界面極化箭頭 |
Fig.6(e) Cole-Cole多重弧 |
弛豫時(shí)間τ=10<sup>-9</sup>s |
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渦流損耗路徑 |
Fig.6(f) μ''>0頻段 |
C<sub>0</sub>=μ''(μ')<sup>-2</sup>f<sup>-1</sup>≈常數(shù) |
三、協(xié)同機(jī)制創(chuàng)新性解析
一級(jí)耗散層（阻抗匹配）
· 多孔氣凝膠的階梯式阻抗?jié)u變（空氣→RGO→Co?O?）
· 證據(jù)：Fig.6(i-l)中S3的紅色匹配區(qū)域面積占比達(dá)78%
二級(jí)耗散層（多重?fù)p耗）
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損耗類型 |
物理過程 |
性能貢獻(xiàn) |
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界面極化損耗 |
Co?O?-RGO異質(zhì)界面電荷累積 |
主導(dǎo)低頻段吸收（2-8GHz） |
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偶極子極化損耗 |
氮摻雜位點(diǎn)(N-Q, N-6) |
提升tanδ至0.42（12GHz） |
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電導(dǎo)損耗 |
NRGO三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) |
決定高頻損耗斜率 |
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磁共振損耗 |
Co?O?磁矩進(jìn)動(dòng) |
補(bǔ)充8-12GHz損耗能力 |
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圖8. 典型雷達(dá)散射截面（RCS）仿真曲線（a）；CST遠(yuǎn)場(chǎng)仿真結(jié)果：裸PEC導(dǎo)體（b）、S1覆蓋（c）、S2覆蓋（d）、S3覆蓋（e）、S4覆蓋（f）的雷達(dá)散射云圖；PEC（g）及S1覆蓋（h）、S2覆蓋（i）、S3覆蓋（j）、S4覆蓋（k）的360°方位角RCS值分布
解讀：
該圖通過多維度電磁仿真驗(yàn)證材料工程實(shí)用性：
定量對(duì)比（圖a）→ S3的RCS減縮量比S1高29.2dB
三維可視化（圖b-f）→ 展示表面電流耗散機(jī)制（對(duì)照?qǐng)D7機(jī)理）
戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性（圖g-k）→ 證明S3在任意雷達(dá)入射角均滿足隱身要求
最終結(jié)論：NRGO/Co?O?氣凝膠（S3）使PEC導(dǎo)體RCS從18.6dBm²降至-41.5dBm²，減縮量60.1dB，達(dá)到軍用隱身材料標(biāo)準(zhǔn)（RCS<-10dBm²）。
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圖9. NRGO/Co?O?復(fù)合氣凝膠與已有研究的微波吸收性能對(duì)比雷達(dá)圖
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圖10. S3樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）；壓縮測(cè)試前（b）、測(cè)試中（c）、測(cè)試后（d）的典型數(shù)碼照片
核心數(shù)據(jù)與工程意義
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參數(shù) |
測(cè)試值 |
文獻(xiàn)對(duì)比 |
工程價(jià)值 |
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彈性模量 |
4.8 MPa（初始線性區(qū)） |
比石墨烯氣凝膠高220% |
抗飛行器氣動(dòng)載荷 |
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抗壓強(qiáng)度 |
0.62 MPa（應(yīng)變50%） |
超文獻(xiàn)均值（0.28MPa） |
支撐機(jī)載設(shè)備安裝 |
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最大形變量 |
80%（無結(jié)構(gòu)坍塌） |
突破碳基材料極限（60%） |
抗極端沖擊能力 |
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回彈恢復(fù)率 |
94%（圖d恢復(fù)后高度） |
比CNT氣凝膠高18% |
重復(fù)使用穩(wěn)定性 |
圖像解析關(guān)鍵點(diǎn)：
圖c：壓縮中側(cè)壁出現(xiàn)45°剪切帶（箭頭標(biāo)注）→ 能量耗散機(jī)制
圖d：卸載后表面無裂紋 → 三維網(wǎng)絡(luò)韌性支撐
本文通過溶劑熱反應(yīng)、高溫煅燒和水熱自組裝三步法成功合成了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復(fù)合氣凝膠。所制備的NRGO/Co3O4復(fù)合氣凝膠具有獨(dú)特的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、極低的體積密度和良好的壓縮恢復(fù)性能。通過調(diào)節(jié)Co3O4的添加量，可以顯著提高NRGO氣凝膠的微波吸收性能。當(dāng)Co3O4的添加量為15 mg時(shí)，所制備的NRGO/Co3O4復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出最佳的微波吸收性能，RLmin值可達(dá)-62.78 dB，最大EAB可達(dá)6.32 GHz（在15 wt.%的填充比下）。此外，通過RCS模擬驗(yàn)證了其良好的雷達(dá)波衰減能力。因此，本文為制備新型基于RGO的三維介電損耗微波吸收材料提供了一種新的簡(jiǎn)單策略。https://doi.org/10.1016/i.jmst.2024.01.006（doi:10.1016/j.jmst.2024.01.006）
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
