碳材料是电磁屏蔽和吸波材料研究的重要内容，对于石墨、碳纤维、碳纳米管等材料的电磁屏蔽和吸收性能的研究已经相当广泛。石墨烯具有室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，与石墨、碳纤维、碳纳米管等材料相比，拥有独特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成为一种新型有效的电磁屏蔽和微波吸收材料。
石墨烯是单层碳原子紧密堆积而形成的一种超薄碳质新材料，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二维材料。自2004 年英国曼彻斯特大学的物理学教授A. Geim 和K. Novoselov 等用机械剥离方法观测到单层石墨烯，其独特的物理性能和在电子领域的潜在应用成为国际研究的热点，并引起科学界新一轮“碳”热潮。
碳材料是电磁屏蔽和吸波材料研究的重要内容，对于石墨、碳纤维、碳纳米管等材料的电磁屏蔽和吸收性能的研究已经相当广泛。然而，作为一种新型碳材料的石墨烯具有纵横比、电导率和热导率高、比表面积大、密度低等特点，其本征强度高达130 GPa，常温下的电子迁移率可达到15 000 cm2／（V · s），是目前电阻率最小的材料。并且石墨烯具有室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，与石墨、碳纤维、碳纳米管等材料相比，拥有独特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成为一种新型有效的电磁屏蔽和微波吸收材料。
因此，以石墨烯为研究方向，结合金属纳米材料或聚合物材料，通过结构设计研制性能优异的石墨烯复合材料，有望广泛应用于电磁波吸收及电磁屏蔽等民用及军事领域。笔者根据国内外学者的研究情况，重点介绍石墨烯复合材料在电磁波吸收以及电磁屏蔽领域中的研究进展，并对未来石墨烯复合材料的发展进行了展望。
石墨烯复合材料在电磁波吸收领域中的应用
随着无线电探测技术和探测手段的发展以及其它非可见光探测技术和各种反伪装技术的逐渐完善和应用，传统武器装备的生存受到严峻的挑战。因此，研制高效吸收雷达波的轻型材料是提高武器装备系统生存能力的有效途径之一，是现代战争中最具有价值、最有效的战术突防手段。可见，高性能轻型微波吸收材料研制及在武器装备中的应用至关重要。
二维片状的石墨烯具有高的比表面积（2 630 m2／g）以及特异的热、电传导功能，对微波能产生较强的电损耗。与传统吸收剂相比，石墨烯材料以其优异的电磁性能成为一种有效的新型微波吸收材料。传统的铁磁类吸收剂，如Fe，Ni，Co，Fe3O4，Co3O4 等铁磁性纳米物质对电磁波具有较强的磁损耗。
通过结构设计，将石墨烯与此类纳米粒子复合后，得到石墨烯片层中镶嵌强吸收电磁波纳米磁性粒子结构的复合材料，并且可实现对微波较强的介电损耗和磁损耗。此类复合材料将石墨烯与磁性纳米粒子的优异性能结合在一起，有效提高了石墨烯材料的磁损耗，并可显著提高我国吸波材料的多频谱兼容技术水平以及满足现代武器装备对于吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求，是一种极有发展前途的新型吸收剂。其吸波机制主要为对微波的电导损耗、多重散射、界面极化、畴壁共振、电子能级分裂等。
目前，国内外均开展了石墨烯微波吸收特性的研究工作，但尚处于起步阶段。方建军等采用化学还原液相悬浮氧化石墨法制备了石墨烯，并研究了石墨烯材料的微波吸收性能。研究表明，当吸波涂层厚度为1 mm 时，在7 GHz 左右反射率最大衰减值可达到–6.5 dB。为了提高石墨烯的电磁波吸收能力，将石墨烯进行亲水处理后，在石墨烯表面采用化学镀Ni 的方法沉积纳米Ni 颗粒。当石墨烯／Ni 纳米复合材料的厚度为1.5 mm 时，在12 GHz 左右的最大反射损耗为–16.5 dB，并且在9.5～14.6 GHz 频段范围内的反射损耗均低于–10 dB。
李国显等探讨了液相沉积法制备石墨烯负载不同纳米磁性粒子复合材料的技术，通过微波辅助加热方法，采用水合肼还原氧化石墨和镍盐得到了石墨烯负载纳米Ni 粒子复合材料，测试了复合材料的电磁参数，分析了其在2～18 GHz 范围内的微波吸收性能。研究表明，Ni 的引入可以增加石墨烯对电磁波的磁损耗，提高复合材料的微波吸收特性。涂层厚度为2.0 mm 时，在16.3 GHz 有最大反射损耗，其峰值可达到–34.4 dB，反射损耗低于–10 dB的有效吸收带宽达到3.9 GHz。
后续的研究表明，采用氧化还原法制备氧化石墨，经超声分散于水中，并在氧化石墨悬浮液中加入Fe3O4 纳米粒子，利用水合肼作为还原剂，在家用微波炉中辐照反应，得到石墨烯／Fe3O4 纳米复合材料。分析了复合材料在0.1～18 GHz 频段内的电磁参数。当复合材料中石墨烯和Fe3O4 纳米粒子的质量比达到10∶1、吸收层厚度在2～2.5 mm 之间时，复合材料在6.5～8.7 GHz频段范围内的反射损耗均小于–20 dB。通过调节Fe3O4 粒子在复合材料中的质量比和吸收层厚度，可使其最大反射损耗的峰值达到–49.7 dB。
巩艳秋等采用水热法和超声混合法制备了兼具介电损耗和磁损耗的石墨烯／钡铁氧体（BaFe12O19） 复合材料。经球磨和水热还原后，复合材料中石墨烯和BaFe12O19 均形成多层结构，BaFe12O19 附着在石墨烯片层上或层片之间，此结构有利于衰减电磁波。研究发现，石墨烯的含量对石墨烯／BaFe12O19 复合材料的微观组织形貌以及材料的电磁性能有较大影响。随着石墨烯含量的增加，复合材料的饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽力降低；同时，复合材料的反射损耗峰值降低，有效吸收带宽减小，且反射损耗吸收峰向低频段移动。当石墨烯质量分数为10% 时，在12.74 GHz 有反射损耗最大值，其峰值可达到–22.98 dB，反射损耗低于–10 dB 的有效吸收带宽达到4.26 GHz。
Xu Huailiang 等采用溶剂热法化学合成了石墨烯／Fe3O4 复合材料，分析了在2～18 GHz 频段内复合材料的吸波性能。当涂层厚度为2.0 mm，Fe3O4 空心半球的质量分数为30% 时，在12.9 GHz 左右出现最大反射损耗峰，其峰值可达到–24 dB，且反射损耗小于–10 dB 的有效吸收带宽达到4.9 GHz。通过比较分析纯石墨烯、石墨烯／Fe3O4 空心半球以及石墨烯／Fe3O4 实心球三种复合材料的反射损耗随频率变化的趋势可知，石墨烯／Fe3O4 空心半球复合材料有较好的微波吸收能力，Fe3O4 空心半球的引入不仅可提高石墨烯复合材料对电磁波的吸收损耗，同时还能有效拓宽吸收频带。
Zhang Dongdong 等采用水热法制备了石墨烯／CdS 纳米复合材料，其中CdS 镶嵌在石墨烯薄片中，颗粒尺寸为20～70 nm，并研究了其微波吸收性能。当涂层厚度为3.3 mm 时，在9.95 GHz 有最大反射损耗，其峰值可达到–48.4 dB，反射损耗低于–10 dB 的有效带宽可达到6 dB。Liu Panbo 等[26] 采用溶剂热法制备了石墨烯／聚苯胺／Co3O4 三元纳米复合材料。研究表明，Co3O4 纳米粒子可以有效改善石墨烯／聚苯胺的微波吸收性能，当涂层厚度为3 mm 时，在6.3 GHz 有最大反射损耗，其峰值可达到–32.6 dB，在4.8～8 GHz 频段范围内的反射损耗均低于–10 dB。
在后续的研究 中，进一步制备了石墨烯／聚吡咯／NiFe2O4 三元纳米复合材料。NiFe2O4 纳米颗粒的引入提高了石墨烯／聚吡咯的微波吸收性能，拓宽了有效吸收频带。当涂层厚度为1.75 mm 时，反射损耗最大值可达到–44.7 dB，在12.6～17.3 GHz 频带的反射损耗均低于–10 dB。
上述研究结果表明，磁性纳米材料的引入可以有效改善石墨烯的电磁性能，提高其微波吸收效果。必须从磁性材料的组分、磁性材料的结构以及复合材料的结构方面进一步研究，才能得到高性能的石墨烯磁性纳米粒子复合吸波材料。
作为新一代碳材料的石墨烯，不仅具有独特的物理结构和优异的力学、电磁性能，还具有良好的微波吸收性能，将其与磁性纳米粒子复合后可以得到一种兼具磁损耗和电损耗的新型吸收剂，可极大地提高石墨烯复合材料的微波吸收性能。因此，开展多功能石墨烯以及磁性片状石墨烯复合材料的研制，是未来新型吸收剂材料应用研究的重点。
（王雯1，黄成亮1，郭宇1，宋宇华1，张颖异1，刘玉凤1，杜汶泽2（1. 中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031 ； 2. 总装备部装甲兵驻济南地区军代室，济南 250031）