石墨烯/MOFs雜化微波吸收復(fù)合材料的研究進(jìn)展

張?zhí)煸?，田恐虎，王彩艷

（安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

金屬有機(jī)框架（Metal Organic Frameworks，簡稱MOFs）是一種有機(jī)-無機(jī)雜化金屬材料。通過調(diào)節(jié)金屬離子和有機(jī)配體的組成，結(jié)合高溫?zé)峤夤に?，可獲得預(yù)定結(jié)構(gòu)或性能的金屬衍生物；其具有質(zhì)輕、可控調(diào)節(jié)的介電常數(shù)和微波吸收性能[1]。石墨烯是由碳原子通過sp2雜化而組成的平面膜。π電子可在一定平面內(nèi)自由移動(dòng)，使石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，如多種霍爾效應(yīng)，高載流子率以及良好的導(dǎo)電性等[2]。但是單獨(dú)使用石墨烯作為微波吸收材料，其高電導(dǎo)率和高介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致阻抗匹配差等缺點(diǎn)。

由于MOFs或石墨烯單一組分在調(diào)控微波吸收性能方面能力有限，通過選用合理的加工方法制備石墨烯/MOFs雜化復(fù)合材料，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)其微波吸收性能的優(yōu)化?；诖?，本文從石墨烯/MOFs雜化微波吸收復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，分析探討了核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的石墨烯/MOFs雜化復(fù)合材料的制備方法和微波吸收性能。

1 核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是復(fù)合材料新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法之一。Liu等[3]采用溶劑熱法，以還原氧化石墨烯（RGO）為核，以Co＠NC為殼，制備了核殼結(jié)構(gòu)的Co＠NC/RGO雜化復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度為3.5mm，Co＠NC/RGO雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-46.5dB（在9.4GHz處）。在1.5～5.0mm調(diào)節(jié)厚度，該雜化復(fù)合材料的最大吸收帶寬達(dá)14.3GHz（3.7～18.0GHz）。趙成云[4]采用等離子電弧法，以Ni為核，以C為殼，制備了Ni＠C；隨后將其沉積在RGO上形成Ni＠C/RGO雜化復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度為3.1mm，Ni＠C/RGO雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗達(dá)到-47.5dB（在9.8GHz處）；相對于單一的Ni＠C和RGO，其微波吸收性能有顯著 提高。

2 層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效提高石墨烯/MOFs雜化微波吸收復(fù)合材料的微波吸收性能。Yang等[5]采用水熱合成法，以金屬有機(jī)骨架（MIL-88B）與C為原料，制備了層狀結(jié)構(gòu)的MIL-88B/C雜化復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MIL-88B/C雜化復(fù)合材料具有較高的比表面積和總孔隙率，能為電磁波的散射和吸收提供活性中心，從而促進(jìn)其對電磁波的有效吸收。當(dāng)MIL-88B/C雜化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為5層時(shí)，該復(fù)合材料對電磁波的吸收率可達(dá)86%。Bai等[6]通過溶劑熱法制備了層狀結(jié)構(gòu)的FeMn-MOF/石墨烯雜化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，這種層狀結(jié)構(gòu)的FeMn-MOF與石墨烯構(gòu)成的特殊結(jié)構(gòu)，能有效提高復(fù)合材料的微波吸收性能。當(dāng)厚度為1.5mm，該雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-34.5dB（在14.1GHz處）。Wang等[7]以MOF衍生的Zn-Co＠C納米顆粒和RGO制備了層狀結(jié)構(gòu)的Zn-Co＠C/RGO雜化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，RGO可以有效阻止Zn-Co＠C的團(tuán)聚，同時(shí)通過調(diào)節(jié)RGO濃度可以改善復(fù)合材料的阻抗匹配。當(dāng)厚度為2.0mm，該雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-47.1dB（在11.2GHz處）。

3 三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是復(fù)合材料新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一方法，有利于提高石墨烯/MOFs雜化微波吸收復(fù)合材料得微波吸收性能。Fan等[8]采用機(jī)械共混結(jié)合退火工藝制備了三維結(jié)構(gòu)的Bi＠C/RGO雜化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，Bi＠C/RGO雜化復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)以及界面處殘留的含氧官能團(tuán)可以為微波吸收性能調(diào)控提供有利條件。當(dāng)厚度為3.7mm，該雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-33.8dB（在8.8GHz處）。Liu等[9]采用濕化學(xué)方法結(jié)合碳化工藝制備了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZnO＠C/RGO雜化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，該雜化復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)且比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)厚度為3.5mm，ZnO＠C/RGO雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-37.1dB（在6.0GHz處），最大吸收帶寬為1.9GHz（5.3～7.2GHz）。Wang等[10]采用高溫?zé)峤夥ㄖ苽淞巳S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的Co/Co3O4＠C/CNTs/RGO復(fù)合材料。結(jié)果分析表明，當(dāng)厚度為2.5mm，該雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-59.2dB（在11.2GHz處），當(dāng)厚度為2.0mm，該雜化復(fù)合材料的最大吸收帶寬為5.7GHz（12.3～18.0GHz）。熊厚冬等[11]采用等離子體電弧蒸發(fā)法制備了FeSiCr納米顆粒，隨后制備了三維結(jié)構(gòu)的FeSiCr/GO雜化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，F(xiàn)eSiCr/GO雜化復(fù)合材料的最佳反射損耗為-69.1dB（在4.3GHz處）。

4 結(jié)語

通過調(diào)節(jié)石墨烯/MOFs的種類及配比等，可以發(fā)揮兩者在微波吸收方面的優(yōu)勢，克服單一組分材料的不足。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需求，可以結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步調(diào)控石墨烯/MOFs雜化復(fù)合材料的微波吸波性能。隨著石墨烯/MOFs雜化微波吸收復(fù)合材料的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合技術(shù)的發(fā)展，有望使其獲得更優(yōu)異的綜合性能。