隨著電子技術發展，電磁污染問題日益突出，開發高效電磁波吸收材料成為迫切需求。碳基材料憑借輕質、高導電性和可調電磁特性成為研究熱點，其類型主要包括石墨烯、碳納米管和生物質碳。石墨烯作為單層二維碳材料，具有高電子遷移率和大比表面積；碳納米管憑借獨特管狀結構和優異電磁性能成為理想選擇；生物質碳原料來源廣泛且成本低廉，展現出良好的吸波潛力。
圖1. 電磁波吸收的主要介電和磁損耗機制。(a) 電導損耗。經許可轉載自參考文獻。(b) 極化損耗。經許可轉載自參考文獻[34,35]。(c) 自然共振。經許可轉載自參考文獻。(d) 交換共振。經許可轉載自參考文獻。(e) 渦流損耗。經許可轉載自參考文獻。
圖2. 改性石墨和石墨烯在微波吸收中的應用。 (a) 石墨的晶體結構和層堆疊模型。經Ref. 許可轉載。 (b) 不同壓縮應變下全石墨烯氣凝膠的微波反射損耗曲線。經Ref. 許可轉載。 (c) 石墨烯泡沫的微波吸收機制示意圖。經Ref. 許可轉載。 (d) 錯層圓形納米多孔石墨烯的制備示意圖。 (e) 錯層雙層石墨烯的透射電子顯微鏡圖像。經Ref. 許可轉載。 (f) 石墨中的原子摻雜和缺陷用于介電共振。經Ref. [68,69]許可轉載。 (g) 硫摻雜空心石墨化碳納米球用于電磁波吸收。經Ref. 許可轉載。 (h) 不同石墨化程度碳的電磁波損耗行為。經Ref. 許可轉載。
圖3。石墨烯氧化物（GO）和還原石墨烯氧化物（r-GO）用于微波吸收。（a） 從石墨到GO和r-GO的過程示意圖。經Ref. 許可轉載。（b） 氧化共軛區域的示意圖。經Ref. 許可轉載。（c） 低負載和高負載r-GO的介電損耗機制。經Ref. 許可轉載。（d） 用于微波吸收的蜂窩狀r-GO復合材料。經Ref. 許可轉載。（e） r-GO海綿超結構的微波反射損耗（RL）曲線。經Ref. 許可轉載。（f） 中空r-GO碗的制備過程和缺陷演變。經Ref. 許可轉載。（g） r-GO氣凝膠的電磁波衰減機制。經Ref. 許可轉載。（h） 不同片層大小的r-GO的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和反射損耗（RL）。經Ref. 許可轉載。（i） 打印的GO和r-GO層壓板。經Ref. 許可轉載。
圖4.CNT用于微波吸收。(a) 單壁和多壁CNT的晶體結構。經Ref. 許可轉載。(b) CNT的主要微波損耗機制。經Ref. [87-91]許可轉載。(c) 不同非晶-石墨比CNT的制備及其相應的微波反射損耗。經Ref. 許可轉載。(d) 非晶CNT的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。經Ref. 許可轉載。(e) 不同壁層CNT的Cole-Cole圖。經Ref. 許可轉載。(f) 不同交錯角(0°，45°，和90°)的交叉堆疊對齊CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像及相應的電荷密度分布。經Ref. 許可轉載。(g) 人工設計的CNT基復合結構中的介電共振。經Ref. 許可轉載。(h) CNT基氣凝膠的微波吸收機制。經Ref. 許可轉載。(i) 與石墨烯片結合的CNT的制備及形貌。經Ref. 許可轉載。
圖5. 用于微波吸收的碳納米纖維（CNFs）。
(a) CNFs電紡絲制備和微波響應機制的示意圖。經許可轉載自參考文獻[102,103]。
(b) CNF-NP和CNF-PN的介電損耗機制。經許可轉載自參考文獻[104]。
(c) 固體CNFs和多孔CNFs的比較。經許可轉載自參考文獻[105]。
(d) 氧化石墨烯包裹的CNFs的透射電子顯微鏡（TEM）圖像、微波吸收機制和反射損耗（RL）曲線。經許可轉載自參考文獻[106]。
(e) 不同形式的碳納米管/碳納米纖維（CNTs/CNFs）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及其介電響應行為。經許可轉載自參考文獻[107]。
(f) CNFs-石墨化碳納米片復合材料的極化-弛豫過程。經許可轉載自參考文獻[108]。
圖6.g-C3N4和MXene在微波吸收中的應用。(a) g-C3N4的結構。經Ref. [118]許可轉載。(b) g-C3N4中的導電損耗和極化弛豫。經Ref. [119]許可轉載。(c) S/P摻雜納米多孔g-C3N4的制備和介電響應。經Ref. [121]許可轉載。(d) 多孔g-C3N4納米片的微波吸收機制。經Ref. [122]許可轉載。(e) MXene及其電磁響應。經Ref. [123,124]許可轉載。(f) MXene Ti3C2的透射電子顯微鏡圖像和RL。經Ref. [125]許可轉載。(g) TisC2Tx中層間距和終止的同時調整示意圖。經Ref. [126]許可轉載。(h) 超輕MXene Ti3C2Tx泡沫的制備及其微波耗散機制。經Ref. [127]許可轉載。(i) 生物仿生MXene復合膜及其微波吸收機制。經Ref. [128]許可轉載。
圖7.用于微波吸收的碳/非磁性金屬復合材料。(a) Cu/C核殼納米線和它們的介電響應機制。經許可轉載自參考文獻[136]。(b) Cu納米團簇-碳網絡復合材料的電磁波吸收機制。經許可轉載自參考文獻[137]。(c) Sn納米顆粒在碳基體中的分裂過程和相應的透射電子顯微鏡圖像。經許可轉載自參考文獻[138]。(d) Fe單原子和亞團簇@氮摻雜碳納米籠的微波吸收性能和介電損耗機制。經許可轉載自參考文獻[139]。(e) 氮摻雜石墨碳上的Co單原子和團簇。經許可轉載自參考文獻[140]。(f) 非平面石墨烯上的Fe單原子及其介電特性。經許可轉載自參考文獻[141]。
圖8. 用于微波吸收的碳/介電氧化物復合材料。(a) 一維管中絲狀ZnO@碳納米線和它們的介電損耗。轉載自參考文獻[152]。(b) MnO@C在不同納米結構下的介電參數和電荷密度分布。轉載自參考文獻[153]。(c) Ti?O??-1/CNTs復合材料的相變過程和微波吸收機制。轉載自參考文獻[155]。(d) 可逆介電變化和r-GO/VO?復合氣凝膠的“開/關”可切換微波吸收性能。轉載自參考文獻[156]。(e) 超細空位豐富的Nb?O?/碳納米片復合材料。轉載自參考文獻[157]。(f) 具有大角度晶界及其介電響應的Fe基氧化物/碳復合材料。轉載自參考文獻[158]。(g) MnFe?O?/LaMnO?/LaFeO?異質結構和缺陷豐富的碳納米復合材料用于增強的介電損耗。轉載自參考文獻[159]。
圖9. 用于微波吸收的碳/硫化物復合材料。 (a) “非標準”蛋黃殼結構NiS,@N，S摻雜碳及其微波吸收機制。經Ref. [160]許可轉載。 (b) 蛋黃殼結構碳@CoS及其電磁響應機制。經Ref. [161]許可轉載。 (c) 層狀Bi2S3/Ti3C2Tx復合材料及介電損耗機制。經Ref. [162]許可轉載。 (d) 一維Ti3C2Tx/MoS2自卷曲棒基泡沫和碳纖維@MXene@MoS2核殼復合材料用于增強微波吸收。經Ref. [163]許可轉載。 (e) CuCo2S4@膨脹石墨復合材料和電磁吸收機制。經Ref. [164]許可轉載。 (f) 核殼空心碳球@MoS2Se2-x復合材料，具有改善的介電損耗。經Ref. [165]許可轉載。 (g) 碳纖維@1T/2H MoS2復合材料。經Ref. [166]許可轉載。
圖10。用于微波吸收的碳/磁性金屬復合材料。(a) 封裝在CNTs中的Fe及其2至18 GHz的RL曲線。經許可轉載自參考文獻[168]。(b) 嵌入多壁CNTs中的Fe/Co/Ni及其頻率依賴的介電/磁損耗正切值。經許可轉載自參考文獻[169]。(c) MXene-FeCo納米花薄膜及其RL曲線。經許可轉載自參考文獻[170]。(d) Co@N摻雜碳納米籠及其最大RL值和帶寬。經許可轉載自參考文獻[171]。(e) 高熵MXene/中熵合金復合材料的電磁波吸收機制。經許可轉載自參考文獻[174]。(f) 一維FeCoNi/碳纖維的磁性耦合和重建磁性全息圖。經許可轉載自參考文獻[175]。(g) 通過原位電弧放電法制備的高熵合金@石墨納米膠囊及其優化的微波吸收性能。經許可轉載自參考文獻[176]。
圖11. 用于微波吸收的碳/磁性氧化物復合材料。 (a) Fe?O?團簇-氮摻雜石墨烯復合材料及其電磁波響應特性。經Ref. [178]許可轉載。 (b) 納米多孔Fe?O?@碳復合材料和RL。經Ref. [179]許可轉載。 (c) Fe?O?@Zn-N-碳微球及其磁介電協同損耗。經Ref. [180]許可轉載。 (d) Fe?O?@C/r-GO氣凝膠及其磁介電損耗機制。經Ref. [181]許可轉載。 (e) NiCo?O?/中空介孔碳納米球復合材料。經Ref. [182]許可轉載。 (f) 分級碳/中空CoFe?O?復合材料的微波吸收機制。經Ref. [183]許可轉載。 (g) NiFe?O?/Ti?C?Tx復合材料的電磁衰減機制。經Ref. [184]許可轉載。 (h) 一維磁性鐵氧體/碳纖維及其微波吸收性能。經Ref. [185]許可轉載。
圖12.用于微波吸收的碳/電介質/磁性多組分復合材料。(a) 蛋黃殼結構Ni@C@ZnO復合材料及其微波吸收機制。經參考文獻[187]許可轉載。(b) 六角星形、花形Co@ZnO@N摻雜碳復合材料和磁介電損耗機制。經參考文獻[188]許可轉載。(c) 嵌入非晶碳基體中的核殼Fe/MnO@C納米膠囊和電磁波衰減機制。經參考文獻[189]許可轉載。(d1) 多殼Fe@C@TiO2@MoS2異質結構的掃描電子顯微鏡圖像，(d2) 重建的磁性全息圖，以及(d3) 微波吸收機制。經參考文獻[190]許可轉載。
電磁波吸收機制主要涉及介電損耗、磁損耗及多重散射效應。介電損耗源于材料電導率和極化作用，碳基材料的高導電性使其成為主要損耗途徑；磁損耗通過復合磁性物質引入磁滯、渦流等效應實現協同增強；材料內部孔隙與界面引起的多重反射和散射可延長電磁波傳播路徑，促進能量耗散。為優化性能，研究者通過微觀結構調控（如構建多孔結構增加散射）、形貌設計（一維至三維多尺度結構）以及組分復合（引入磁性顆粒或導電聚合物）提升阻抗匹配與損耗效率。
碳基材料在電磁屏蔽、隱身技術和雷達吸波等領域應用前景廣闊，但仍面臨吸收帶寬不足、環境穩定性差及規模化生產困難等挑戰。未來研究需聚焦新型復合結構開發，探索多機制協同效應，同時優化制備工藝以降低成本，推動材料從實驗室向工程化應用轉化。此外，深入解析微觀結構與性能的構效關系，建立精準理論模型，將為高性能碳基吸波材料的設計提供重要指導。
轉自《石墨烯研究》公眾號
