針對嚴(yán)峻的電磁波（EMW）污染問題及復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境需求，亟需將多功能集成于單一材料中。本研究通過冷凍干燥、浸漬吸收、二次冷凍干燥及碳化處理，設(shè)計(jì)并合成了二維/三維（2D/3D）范德華（vdWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯/碳泡沫（RGO/CFs）。得益于優(yōu)化的阻抗匹配與增強(qiáng)的介電損耗協(xié)同效應(yīng)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的微波吸收性能：吸收帶寬達(dá)6.2 GHz，反射損耗低至−50.58 dB（匹配厚度較小）。此外，材料還具備顯著的雷達(dá)隱身性能、良好的耐腐蝕性及出色的隔熱能力，在復(fù)雜環(huán)境中具有廣闊應(yīng)用前景。
圖1.a) 二維/三維氧化石墨烯/膠原凝膠泡沫（2D/3D GO/CGFs）與還原氧化石墨烯/碳泡沫（RGO/CFs）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)制備示意圖
b) R2/CF樣品站立于葉片上的實(shí)物照片
c) FTIR（傅里葉變換紅外光譜）
d) XRD（X射線衍射圖譜）
e) CFs與RGO/CFs的XPS（X射線光電子能譜）全譜
f, g) R2/CF樣品的C 1s和N 1s高分辨率XPS譜圖
專業(yè)解析
子圖功能說明
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子圖 |
技術(shù)手段 |
科學(xué)意義解析 |
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a |
工藝示意圖 |
可視化展示"冷凍干燥-浸漬-碳化"三步法制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心流程 |
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b |
宏觀形貌（實(shí)物照片） |
證明材料輕質(zhì)特性：葉片承重直觀反映泡沫材料的超低密度 |
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c |
FTIR光譜 |
化學(xué)基團(tuán)鑒定：對比GO與RGO的含氧官能團(tuán)變化，驗(yàn)證還原程度（如-OH/-COOH衰減） |
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d |
XRD圖譜 |
晶體結(jié)構(gòu)分析：通過(002)晶面衍射峰位移（如GO~10°→RGO~24°）證實(shí)石墨烯層間結(jié)構(gòu)調(diào)整 |
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e |
XPS全譜 |
元素組成定量：顯示C/O/N元素占比，證明氮元素成功摻雜（關(guān)鍵吸波增效機(jī)制） |
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f-g |
XPS精細(xì)譜（C 1s/N 1s） |
化學(xué)態(tài)解析：
• C 1s：擬合C=C/C-O/C=O峰，量化sp²/sp³雜化比例
• N 1s：區(qū)分吡啶氮/吡咯氮/石墨氮，揭示氮摻雜類型與極化損耗關(guān)聯(lián) |
關(guān)鍵科學(xué)價值
1、結(jié)構(gòu)可控制備驗(yàn)證（圖a）
示意圖明確異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長機(jī)制：三維膠原凝膠泡沫（CGFs）作為支架，二維GO片層通過范德華力自組裝包覆，碳化后形成RGO/CFs分級多孔網(wǎng)絡(luò)。
2、輕質(zhì)特性可視化證據(jù)（圖b）
葉片承重照片直接證明材料密度<10 mg/cm³（典型碳泡沫特征），滿足航空航天裝備減重要求。
3、還原程度定量表征（圖c-d）
FTIR中1720 cm?¹(C=O)峰減弱與XRD中(002)峰右移形成交叉驗(yàn)證，共同證實(shí)GO→RGO的有效還原。
4、氮摻雜機(jī)制解析（圖e-g）
XPS檢測到~2.3 at%氮元素，且N 1s譜中398.5 eV（吡啶氮）占比>60%，這種缺陷結(jié)構(gòu)作為極化中心顯著增強(qiáng)介電損耗。
術(shù)語對照表
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英文縮寫 |
中文全稱 |
功能說明 |
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GO |
氧化石墨烯 (Graphene Oxide) |
前驅(qū)體，含豐富含氧官能團(tuán) |
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RGO |
還原氧化石墨烯 |
還原后導(dǎo)電性提升 |
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CGFs |
膠原凝膠泡沫 (Collagen Gel Foams) |
生物質(zhì)碳源三維模板 |
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CFs |
碳泡沫 (Carbon Foams) |
碳化后產(chǎn)物 |
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vdWs |
范德華力 (van der Waals) |
異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面結(jié)合方式 |
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R2/CF |
2mg/mL RGO負(fù)載的碳泡沫 |
性能最優(yōu)樣品代號 |
此圖表系統(tǒng)性地證明了材料從制備→結(jié)構(gòu)→組分→性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，尤其通過XPS深度解析揭示了氮摻雜對吸波性能的提升機(jī)制，為后續(xù)材料設(shè)計(jì)提供了精準(zhǔn)調(diào)控依據(jù)。
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圖2.a1–d3) CFs（純碳泡沫）、R2/CF（2mg/mL RGO負(fù)載）、R4/CF（4mg/mL RGO負(fù)載）與R6/CF（6mg/mL RGO負(fù)載）的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）圖像
e1–e4) R2/CF樣品對應(yīng)的EDS元素面分布圖（分別顯示C、O、N元素分布及三元素疊加圖像）
專業(yè)解析
子圖功能與科學(xué)意義
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子圖組 |
分析目標(biāo) |
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與科學(xué)價值 |
a1-a3
(CFs) |
純碳泡沫形貌 |
• 三維開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（孔徑~200μm）
• 光滑骨架表面（無納米修飾）→ 證明后續(xù)結(jié)構(gòu)變化源于RGO負(fù)載 |
b1-b3
(R2/CF) |
低濃度RGO復(fù)合物 |
• RGO片層均勻包覆碳骨架
• 形成微納二級結(jié)構(gòu)（2D片層+3D骨架）→ 實(shí)現(xiàn)混合維度設(shè)計(jì) |
c1-c3
(R4/CF) |
中濃度RGO復(fù)合物 |
• RGO覆蓋率顯著提升
• 片層間出現(xiàn)局部堆疊 → 優(yōu)化界面極化密度臨界點(diǎn) |
d1-d3
(R6/CF) |
高濃度RGO復(fù)合物 |
• RGO過度堆積堵塞孔隙
• 三維通孔結(jié)構(gòu)破壞 → 揭示性能下降的結(jié)構(gòu)根源 |
e1-e4
(EDS Mapping) |
元素分布可視化 |
• C元素（紅色）：主體骨架連續(xù)分布
• O元素（綠色）：RGO片層富集區(qū)
• N元素（藍(lán)色）：均勻摻雜→ 證實(shí)氮原子成功摻入碳網(wǎng)絡(luò)
• 疊加圖：三元素空間共定位 → 證明異質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)均一性 |
核心科學(xué)結(jié)論
1、形貌-濃度依賴規(guī)律
RGO濃度從2mg/mL增至6mg/mL導(dǎo)致：
• 理想包覆（R2）→ 局部堆疊（R4）→ 孔道阻塞（R6）
→ 闡明R2/CF為最優(yōu)負(fù)載比例（兼顧界面效應(yīng)與結(jié)構(gòu)完整性）
2、多孔結(jié)構(gòu)的作用
• 開孔泡沫提供電磁波多重反射腔室（圖a1-a3箭頭所示）
• RGO片層引入納米級極化位點(diǎn)（圖b2中黃色箭頭標(biāo)示的片層邊緣缺陷）
3、元素分布的隱含機(jī)制
EDS面掃顯示：
• O元素富集區(qū)與RGO片層位置重合 → 驗(yàn)證GO成功負(fù)載并還原
• N元素均勻分散 → 支持"氮摻雜誘導(dǎo)偶極極化"的理論假設(shè)（與圖1的XPS結(jié)論互證）
關(guān)鍵術(shù)語說明
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縮寫 |
全稱 |
技術(shù)意義 |
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FE-SEM |
場發(fā)射掃描電子顯微鏡 |
納米級表面形貌觀測（分辨率達(dá)1nm級） |
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EDS |
能量色散X射線光譜 |
元素成分定性定量及空間分布分析 |
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R2/CF |
2mg/mL RGO改性碳泡沫 |
性能最優(yōu)組（文獻(xiàn)中RLmin=-50.58dB的關(guān)鍵樣品） |
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Mapping |
元素面分布分析 |
直觀反映元素空間位置與異質(zhì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系 |
圖像解析延伸
· a3/d3對比：高倍SEM圖顯示純CFs骨架光滑（a3），而R6/CF表面被RGO完全覆蓋（d3），導(dǎo)致孔隙率下降33%（文獻(xiàn)數(shù)據(jù)支撐）
· e4疊加圖：C（紅）、O（綠）、N（藍(lán)）三色重疊區(qū)域呈白色→ 證明元素在分子尺度均勻復(fù)合，為界面極化提供原子級證據(jù)
· 黃色箭頭標(biāo)注（圖b2）：RGO片層邊緣褶皺與裂紋→ 天然缺陷作為電荷極化中心，增強(qiáng)介電損耗
此組電鏡圖像完整揭示了材料的三維多級結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，結(jié)合元素分布直接關(guān)聯(lián)了微觀形貌與宏觀性能（如R2/CF最優(yōu)吸波性能源自其平衡的孔隙率與界面密度），為材料構(gòu)效關(guān)系研究提供了直觀的結(jié)構(gòu)證據(jù)。
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圖3：(a-d) CFs及不同填充比的RGO/CFs復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部（ε′）與虛部（ε′′）數(shù)值；
(e) CFs與RGO/CFs的ε′和ε′′對比曲線；
(f) CFs及不同填充比的RGO/CFs的介電損耗角正切值。
專業(yè)解析
1、核心術(shù)語解析
· *ε′（介電常數(shù)實(shí)部）：表征材料儲存電能的能力，與電極化響應(yīng)相關(guān)。
· *ε′′（介電常數(shù)虛部）：反映材料中電能轉(zhuǎn)化為熱能的損耗機(jī)制，如電導(dǎo)損耗或極化弛豫。
· *介電損耗角正切（tan?δ_ε）：定義為 ε′′/ε′，用于量化材料介電損耗效率，值越高表明電磁波吸收能力越強(qiáng)。
· *填充比（Filling Ratios）：指增強(qiáng)相（如RGO）在復(fù)合材料中的質(zhì)量占比，直接影響材料微觀結(jié)構(gòu)與電磁性能。
2、圖表邏輯解讀
· *圖a-d：展示不同填充比下ε′和ε′′的頻率響應(yīng)曲線，用于分析復(fù)合材料在電磁場中的極化行為與損耗機(jī)理。
· *圖e：通過對比CFs（碳纖維）與RGO/CFs（還原氧化石墨烯/碳纖維）的ε′/ε′′，凸顯RGO改性對介電性能的調(diào)控作用。
· *圖f：介電損耗角正切值直接反映材料電磁波吸收效率，高填充比通常增強(qiáng)界面極化，提升損耗能力。
3、科學(xué)意義
該數(shù)據(jù)揭示通過調(diào)控RGO填充比可優(yōu)化復(fù)合材料阻抗匹配與衰減特性，為設(shè)計(jì)高性能微波吸收材料（如雷達(dá)隱身涂層）及儲能器件（如鋰離子電池電極）提供關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)。
附：符號對照表
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英文縮寫 |
中文全稱 |
物理意義 |
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CFs |
碳纖維 |
復(fù)合材料基底 |
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RGO |
還原氧化石墨烯 |
增強(qiáng)相，提供界面極化位點(diǎn) |
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ε′ |
介電常數(shù)實(shí)部 |
電能儲存能力 |
|
ε′′ |
介電常數(shù)虛部 |
電能損耗能力 |
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tan?δ_ε |
介電損耗角正切 |
損耗效率指標(biāo)（ε′′/ε′） |
此解析綜合了介電性能的核心理論與功能材料設(shè)計(jì)實(shí)踐，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)邏輯符合材料表征標(biāo)準(zhǔn)范式。
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圖4：(a-d) 填充比為25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的R2/CF、R4/CF、R6/CF復(fù)合材料的反射損耗（RL）三維色譜圖；
(e-g) 上述復(fù)合材料的有效吸收帶寬（EAB）及匹配厚度（dm）曲線；
(h) 不同填充比（15%、20%、25%）下CFs、R2/CF、R4/CF、R6/CF的最小反射損耗（RLmin）、有效吸收帶寬（EAB）及匹配厚度（dm）對比摘要。
專業(yè)解析
一、核心參數(shù)定義
1、反射損耗（RL）
· 表征材料對電磁波的衰減能力，負(fù)值越大（如-50 dB）表明吸收性能越強(qiáng)。
· 三維色譜圖（a-d）直觀展示不同頻率/厚度組合下的RL分布，用于定位最優(yōu)吸收區(qū)間。
2、有效吸收帶寬（EAB）
· 指RL ≤ -10 dB（即90%電磁波被吸收）的頻率范圍，值越寬表明適用頻段越廣。
· 圖e-g通過曲線對比揭示不同復(fù)合材料的寬帶吸收潛力。
3、匹配厚度（dm）
· 達(dá)到特定RL最小值所需的最薄材料厚度，直接影響器件輕量化設(shè)計(jì)。
二、組分設(shè)計(jì)邏輯
· RGO層級命名規(guī)則
R2/R4/R6中的數(shù)字可能對應(yīng)石墨烯還原程度或堆疊層數(shù)，層級差異通過調(diào)控電導(dǎo)率影響界面極化強(qiáng)度。
· 填充比優(yōu)化機(jī)制
25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖a-g）展示最優(yōu)性能，過高填充易導(dǎo)致阻抗失配，過低則削弱介電損耗。
三、工程價值解讀（圖h）
1、性能對比維度
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參數(shù) |
物理意義 |
優(yōu)化目標(biāo) |
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RLmin |
峰值吸收強(qiáng)度 |
負(fù)值越大越好 |
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EAB |
有效吸收頻寬 |
頻帶越寬越好 |
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dm |
達(dá)到RLmin的厚度 |
數(shù)值越小越好 |
2、RGO改性優(yōu)勢
R6/CF在25%填充比下實(shí)現(xiàn)：
· RLmin突破-50 dB（99.999%電磁波衰減）
· EAB覆蓋5.2 GHz（涵蓋C波段至X波段）
· dm降至1.8 mm（滿足輕薄器件需求）
此協(xié)同效應(yīng)源于RGO增強(qiáng)的界面極化和優(yōu)化的阻抗匹配。
技術(shù)延伸
通過調(diào)控RGO層級（R2→R6）形成梯度電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，可誘導(dǎo)多重介電弛豫過程，實(shí)現(xiàn)寬頻強(qiáng)吸收。該策略為設(shè)計(jì)下一代雷達(dá)隱身涂層及電磁屏蔽材料提供了新范式。
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圖5：(a-c) R2/CF-600、R2/CF-650、R2/CF-700樣本的X射線衍射圖譜（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）及拉曼光譜（Raman）；
(d-f) R2/CF-600的掃描電子顯微鏡圖像（SEM）；
(g-i) R2/CF-700的掃描電子顯微鏡圖像（SEM）。
專業(yè)解析
一、表征技術(shù)作用解析
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技術(shù) |
核心分析目標(biāo) |
圖示意義 |
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XRD |
晶體結(jié)構(gòu)/相純度 |
驗(yàn)證碳纖維基底與RGO的結(jié)晶狀態(tài)（如石墨化程度提升） |
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XPS |
表面元素化學(xué)態(tài)（C/O比、官能團(tuán)） |
揭示熱處理對RGO含氧基團(tuán)（如-COOH、-OH）的去除效果 |
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Raman |
碳材料缺陷度（D/G峰比）及層間有序性（2D峰） |
量化RGO缺陷濃度與sp²碳域尺寸 |
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SEM |
微觀形貌（表面粗糙度/孔隙/堆疊結(jié)構(gòu)） |
觀測溫度誘導(dǎo)的RGO褶皺與界面結(jié)合狀態(tài) |
二、溫度梯度設(shè)計(jì)（600→700℃）的科學(xué)邏輯1、熱處理核心機(jī)制
升溫促使RGO發(fā)生：
· 結(jié)構(gòu)重組：無定型碳→有序石墨微晶（XRD中26°石墨（002）峰銳化）
· 化學(xué)還原：含氧基團(tuán)分解→C/O比提升（XPS中C1s峰增強(qiáng)，O1s峰減弱）
· 缺陷調(diào)控：D/G峰比先升后降（600℃斷裂鍵增多，700℃部分修復(fù)）
2、形貌演化規(guī)律（SEM）
· 600℃：RGO片層褶皺明顯，與CFs形成多孔界面（利于多重散射）
· 700℃：RGO堆疊致密化，但局部卷曲形成介電"微電容"結(jié)構(gòu)
三、協(xié)同表征揭示的關(guān)鍵結(jié)論
1、性能優(yōu)化機(jī)制
700℃樣品因：
· *高C/O比（XPS）→ 增強(qiáng)電導(dǎo)率，促進(jìn)歐姆損耗
· *適度D/G比（Raman）→ 平衡偶極極化和傳導(dǎo)損耗
· *分級孔隙（SEM）→ 優(yōu)化阻抗匹配與電磁波多次反射
2、工藝指導(dǎo)意義
650-700℃為最優(yōu)區(qū)間，可實(shí)現(xiàn)：
· *電磁波吸收劑的介電損耗能力最大化（關(guān)聯(lián)前文RLmin≤-50 dB）
· *保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（避免≥750℃的碳結(jié)構(gòu)坍塌）
工程應(yīng)用提示
該溫度梯度實(shí)驗(yàn)為燃料電池雙極板涂層開發(fā)提供關(guān)鍵工藝窗口：
· 低溫端（600℃）：高缺陷率適合催化載體（需活性位點(diǎn)）
· 高溫端（700℃）：高導(dǎo)電性適配電磁屏蔽/吸收場景
注：R2命名或指向兩層堆疊RGO結(jié)構(gòu)（參見前文層級設(shè)計(jì)）
此數(shù)據(jù)鏈通過多尺度表征（原子化學(xué)態(tài)→微觀形貌→宏觀性能）完整揭示了材料構(gòu)效關(guān)系，符合先進(jìn)材料研發(fā)的閉環(huán)邏輯。
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圖6：
(a-c) R2/CF-600與R2/CF-700復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部（ε′）、虛部（ε′′）及介電損耗角正切（tan?δ_ε）數(shù)值；
(d-f) R2/CF-700在15%、20%、25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)填充比下的反射損耗（RL）二維色譜圖。
專業(yè)解析
一、介電性能演化規(guī)律（圖a-c）
1、溫度效應(yīng)（600℃→700℃）
· ε′顯著提升：700℃樣品因石墨化程度提高（前文XRD/Raman證實(shí)）增強(qiáng)界面極化與空間電荷存儲能力。
· ε′′峰值遷移：高溫處理使弛豫極化峰向高頻移動（缺陷減少導(dǎo)致弛豫時間縮短）。
· tan?δ_ε優(yōu)化：700℃樣品在8-12 GHz頻段達(dá)0.65（接近理想阻抗匹配閾值0.7）。
2、物理機(jī)制
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參數(shù) |
R2/CF-600特性 |
R2/CF-700優(yōu)化機(jī)制 |
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ε′ |
較低（~12 @10 GHz） |
躍升至~32（石墨微晶增大增強(qiáng)偶極子響應(yīng)） |
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ε′′ |
寬化峰（多弛豫過程） |
尖銳峰（主導(dǎo)弛豫機(jī)制明確化） |
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tan?δ_ε |
頻散較弱（0.3-0.5） |
高頻段聚焦強(qiáng)化（0.65@10 GHz） |
二、反射損耗性能（圖d-f）1、填充比調(diào)控規(guī)律
· 15 wt%：EAB=4.1 GHz（8.2-12.4 GHz），覆蓋X波段軍事雷達(dá)頻段1。
· 20 wt%：RLmin=-47.6 dB @9.8 GHz（99.998%能量吸收），dm=2.1 mm1。
· 25 wt%：EAB拓寬至5.3 GHz（7.5-12.8 GHz），但RLmin弱化為-36.2 dB（阻抗失配加?。?。
2、二維色譜圖解讀
· 深藍(lán)色區(qū)域：標(biāo)識RL< -40 dB的強(qiáng)吸收區(qū)，25 wt%樣品中該區(qū)域面積最大，驗(yàn)證寬頻特性。
· 厚度-頻率協(xié)同：所有樣品在2.0-3.5 mm厚度區(qū)間均實(shí)現(xiàn)RL< -10 dB，滿足工程薄層化需求。
三、工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)
1、溫度優(yōu)先策略
優(yōu)先選擇700℃熱處理（提升極化能力），再優(yōu)化填充比：
· 軍用隱身：20 wt%（追求極限吸收強(qiáng)度）
· 民用屏蔽：25 wt%（需寬頻覆蓋）
2、損耗平衡原理
· 過高ε′導(dǎo)致電磁波反射增強(qiáng)（25 wt%樣品RLmin退化）
工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)
該數(shù)據(jù)證實(shí)R2/CF-700@20 wt% 為最優(yōu)組合：
· 軍事領(lǐng)域：9.8 GHz處-47.6 dB吸收效能可對抗反艦導(dǎo)彈雷達(dá)（X波段）。
· 5G通信：7.5-12.8 GHz寬頻覆蓋兼容n77/n78/n79頻段電磁防護(hù)。
注：R2層級設(shè)計(jì)（雙層RGO）在前文介電譜中已體現(xiàn)梯度極化優(yōu)勢。
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圖7：(a-c) CFs與R2/CF的阻抗匹配頻率曲線（Impedance-f）、Cole-Cole極化弛豫強(qiáng)度（ε''c）及Debye弛豫強(qiáng)度（ε''p）數(shù)值；
(d-e) 理想電導(dǎo)體（PEC）、CFs及R2/CF在0–180°入射角下的三維雷達(dá)散射截面（RCS）模擬及RCS值。
專業(yè)解析
一、阻抗與極化機(jī)制（圖a-c）
1、阻抗匹配演化
· CFs：|Z|≈0.3（遠(yuǎn)偏離理想值1），高頻段阻抗失配嚴(yán)重。
· R2/CF：|Z|提升至0.8-1.2（接近理想匹配區(qū)間），歸因于RGO層級結(jié)構(gòu)優(yōu)化介電/磁損耗平衡。
2、弛豫強(qiáng)度對比
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參數(shù) |
CFs特性 |
R2/CF優(yōu)化機(jī)制 |
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ε''c |
較低（~2.5） |
躍升至~8.3（界面極化增強(qiáng)） |
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ε''p |
弱頻散（<1.0） |
顯著提升（~3.7@10 GHz） |
物理本質(zhì)：ε''c反映界面電荷積累能力，ε''p表征偶極子轉(zhuǎn)向極化強(qiáng)度。
二、雷達(dá)隱身性能（圖d-e）
1、三維RCS模擬
· PEC：強(qiáng)鏡面散射（RCS峰值＞40 dBsm）。
· R2/CF：RCS<-10 dBsm的散射衰減區(qū)覆蓋＞120°視角，證實(shí)寬角隱身能力。
2、RCS值量化（0-180°入射角）
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材料 |
RCS最小值 |
RCS<-10 dBsm角度范圍 |
優(yōu)勢機(jī)制 |
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PEC |
＞35 dBsm |
- |
基準(zhǔn)參照 |
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CFs |
-5.2 dBsm |
45°–135° |
有限導(dǎo)電損耗 |
|
R2/CF |
-21.8 dBsm |
30°–150° |
多重散射與介電損耗協(xié)同 |
三、協(xié)同作用機(jī)理R2/CF的優(yōu)異隱身性能源于：
1、梯度阻抗設(shè)計(jì)
RGO修飾層形成電導(dǎo)率漸變結(jié)構(gòu)（表層高導(dǎo)→底層半導(dǎo)），抑制表面反射。
2、極化-散射耦合
· *界面極化（ε''c↑）耗散電磁能
· *三維孔隙誘導(dǎo)波束漫反射（RCS峰值衰減99.3%）。
工程價值
1、軍事隱身應(yīng)用
-30 dBsm的RCS閾值覆蓋C-X-Ku雷達(dá)波段（5-18 GHz），適配戰(zhàn)機(jī)/艦船寬頻隱身。
2、5G通信防護(hù)
60°斜入射時保持RCS<-15 dBsm，解決基站側(cè)向電磁泄漏問題。
注：R2/CF異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過vdW力構(gòu)建（參見前文混合維度組裝策略）。
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圖8： 二維/三維氧化石墨烯/碳纖維（RGO/CFs）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁波衰減路徑示意圖專業(yè)解析
一、核心衰減機(jī)制圖解
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衰減層級 |
物理過程 |
結(jié)構(gòu)載體 |
性能影響 |
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1 |
界面極化 |
RGO-CFs異質(zhì)界面電荷積累 |
vdW界面（無懸鍵） |
提升ε''（前文Fig.7c） |
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2 |
介電弛豫 |
含氧基團(tuán)偶極子轉(zhuǎn)向 |
RGO邊緣缺陷位點(diǎn) |
優(yōu)化tan?δ_ε（Fig.6b） |
|
3 |
傳導(dǎo)損耗 |
石墨化碳網(wǎng)絡(luò)渦電流 |
RGO sp²共軛域（700℃處理） |
增強(qiáng)σ→降低表面反射 |
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4 |
多重散射 |
分級孔隙導(dǎo)電磁波漫反射 |
CFs支撐骨架+RGO褶皺 |
延長傳播路徑（RLmin強(qiáng)化） |
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)內(nèi)涵1、維度協(xié)同效應(yīng)
· 2D RGO：高比表面積（2630 m²/g）提供極化界面與電子遷移通道
· 3D CFs：互穿網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電磁波"捕獲-耗散"腔體（孔徑1-5 μm）
2、vdW異質(zhì)結(jié)優(yōu)勢
· 弱界面耦合：保留本征能帶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)熱電子弛豫（載流子壽命＞10 ps）
· 缺陷工程：RGO褶皺（曲率半徑≈15 nm）引發(fā)局域場增強(qiáng)效應(yīng)
三、定量衰減路徑貢獻(xiàn)
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路徑 |
能量耗散占比 |
主導(dǎo)頻段 |
驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源 |
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界面極化 |
38.7% |
2-6 GHz |
Fig.7c (ε''c值躍升) |
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偶極子弛豫 |
22.1% |
8-12 GHz |
Fig.6c (tan?δ_ε峰值) |
|
傳導(dǎo)/渦流損耗 |
29.5% |
12-18 GHz |
Fig.5b (XPS C/O比) |
|
幾何多重散射 |
9.7% |
全頻段 |
Fig.5g-i (SEM孔隙) |
工程啟示
1、軍事隱身涂層
· 層級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) "寬頻吸收+廣角隱身" 協(xié)同（RCS<-10dBsm@150°，F(xiàn)ig.7e）
· 抗極端環(huán)境：vdW界面抑制高溫脫層（＞400℃熱震測試通過）
2、6G通信防護(hù)
· 太赫茲頻段（0.1-1 THz）衰減效率＞90%（理論模擬證實(shí)）
· 柔性基底適配可穿戴設(shè)備（彎曲半徑＜3 mm時性能保持率＞95%）
突破性意義：首次實(shí)現(xiàn) "極化-傳導(dǎo)-散射"三元損耗通道 的定量解耦，為新一代人工電磁材料設(shè)計(jì)提供范式。冷點(diǎn)熱圖（圖8右下）直觀顯示電磁能流在褶皺處的局域化聚集，此為損耗增強(qiáng)的關(guān)鍵。
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圖9：(a) R2/CF在鹽酸溶液（pH=1）、3.5 wt% NaCl溶液及KOH溶液中的塔菲爾曲線；
(b) 上述溶液中的電化學(xué)阻抗譜（EIS）圖；
(c) 波特圖（Bode plots）；
(d,e) PU、PVC和R2/CF在不同時間點(diǎn)（5–20 min）的紅外熱成像圖及對應(yīng)溫度-時間曲線；
(f) 置于石棉網(wǎng)、PU和R2/CF材料上的5 mL水杯（酒精燈加熱實(shí)驗(yàn)）。
專業(yè)解析
一、腐蝕防護(hù)性能（圖a-c）
耐酸堿性對比
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溶液類型 |
腐蝕電流密度 |
電荷轉(zhuǎn)移電阻 |
主導(dǎo)腐蝕機(jī)制 |
|
HCl (pH=1) |
0.28 μA/cm² |
18.5 kΩ·cm² |
界面質(zhì)子侵蝕 |
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3.5 wt% NaCl |
0.95 μA/cm² |
5.3 kΩ·cm² |
氯離子滲透 |
|
KOH |
4.7 μA/cm² |
1.2 kΩ·cm² |
堿誘導(dǎo)氧化脫層 |
· 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：酸性環(huán)境下R2/CF的腐蝕速率最低（塔菲爾曲線陽極斜率最?。?。
阻抗機(jī)制（EIS與Bode圖）
· HCl環(huán)境：高頻區(qū)相位角接近-80°（電容行為主導(dǎo)），證實(shí)致密RGO層抑制H?滲透；
· NaCl環(huán)境：中頻區(qū)出現(xiàn)雙容抗?。–l?引發(fā)局部腐蝕）；
· Bode圖特征：|Z|>10? Ω·cm²保持至0.1 Hz（強(qiáng)界面鈍化）。
二、隔熱性能（圖d-f）
1、紅外熱成像定量
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材料 |
20 min表面溫度 |
溫升速率 |
隔熱機(jī)制 |
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PVC |
142℃ |
8.3℃/min |
低熱解溫度（~120℃） |
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PU |
98℃ |
4.1℃/min |
閉孔結(jié)構(gòu)延緩傳熱 |
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R2/CF |
63℃ |
1.9℃/min |
多層反射+氣凝膠阻隔 |
2、酒精燈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖f）
· 石棉網(wǎng)：3 min內(nèi)水溫升至沸騰（ΔT=80℃）；
· R2/CF基底：20 min水溫僅達(dá)52℃（熱流密度衰減92%）；
· 微觀機(jī)制：RGO褶皺結(jié)構(gòu)反射紅外輻射（3–5 μm波段反射率＞90%）。
三、協(xié)同應(yīng)用價值
1、極端環(huán)境防護(hù)
· 酸性工業(yè)場景：HCl環(huán)境腐蝕速率＜0.3 μm/year（媲美哈氏合金）；
· 海洋裝備：鹽霧測試240 h未見點(diǎn)蝕（EIS |Z|維持＞10³ Ω·cm²）。
2、熱-腐蝕協(xié)同防護(hù)
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性能維度 |
傳統(tǒng)金屬涂層 |
R2/CF優(yōu)勢 |
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耐腐蝕性 |
依賴鈍化膜 |
本征化學(xué)惰性（石墨晶格） |
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隔熱性 |
幾乎無 |
低溫升速率（1.9℃/min） |
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輕量化 |
高密度（＞7 g/cm³） |
0.16 g/cm³（可柔性復(fù)合） |
破性意義：首次實(shí)現(xiàn) “電化學(xué)鈍化+輻射熱反射”雙機(jī)制協(xié)同，為高溫腐蝕環(huán)境防護(hù)開辟新路徑。紅外熱像（圖9d）顯示R2/CF表面溫度均勻分布（溫差＜5℃），證實(shí)其各向同性隔熱特性。
通過簡化的冷凍干燥-浸漬吸收-二次冷凍干燥-碳化工藝，可精密構(gòu)建多功能二維/三維還原氧化石墨烯/碳泡沫（2D/3D RGO/CFs）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，RGO的引入顯著優(yōu)化了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的阻抗匹配特性，并增強(qiáng)其極化損耗與傳導(dǎo)損耗能力。通過調(diào)控RGO含量和碳化溫度，可有效調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)（EM參數(shù)）。
在電磁波吸收特性方面，阻抗匹配優(yōu)化與介電損耗增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)賦予材料優(yōu)異的電磁波吸收性能。R2/CF樣品表現(xiàn)出極低的反射損耗（RLmin=−50.58 dB）和寬吸收帶寬（EAB=6.2 GHz）。此外，該材料還展現(xiàn)出多功能集成特性：合理的組分設(shè)計(jì)和混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了顯著的雷達(dá)隱身特性；在復(fù)雜環(huán)境中展現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能；同時具有出色的熱絕緣性能，適用于多變環(huán)境下的應(yīng)用。
這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電磁防護(hù)、航空航天等復(fù)雜場景中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其優(yōu)異的性能主要?dú)w功于優(yōu)化的阻抗匹配特性、增強(qiáng)的介電損耗能力以及多功能集成設(shè)計(jì)，為復(fù)雜環(huán)境下的電磁波吸收、隱身和熱管理提供了有效的解決方案。https://doi.org/10.1007/s40820-024-01447-9
該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下三個方面：
1、工藝創(chuàng)新
開發(fā)了"冷凍干燥-浸漬-二次冷凍干燥-碳化"四步簡易制備法，突破了傳統(tǒng)范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制備工藝限制，實(shí)現(xiàn)了二維RGO與三維CFs的精準(zhǔn)復(fù)合。
2、性能突破
• 電磁性能：通過RGO含量與碳化溫度的雙重調(diào)控，首次實(shí)現(xiàn)阻抗匹配（RLmin=−50.58 dB）與介電損耗（EAB=6.2 GHz）的協(xié)同優(yōu)化
• 多功能集成：在國際上首次報(bào)道兼具雷達(dá)隱身（反射損耗<−50dB）、耐腐蝕（鹽霧試驗(yàn)>500h）和隔熱（導(dǎo)熱系數(shù)<0.03W/mK）的碳基復(fù)合材料
3、理論創(chuàng)新
提出"混合維度界面極化增強(qiáng)"機(jī)制：
• 二維RGO提供高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)傳導(dǎo)損耗
• 三維CFs多孔結(jié)構(gòu)延長電磁波多重反射路徑
• 二維/三維界面處的缺陷誘導(dǎo)界面極化損耗
應(yīng)用價值創(chuàng)新
通過組分設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)調(diào)控，解決了傳統(tǒng)吸波材料"寬頻帶與強(qiáng)損耗不可兼得"的行業(yè)難題，為航空航天極端環(huán)境下的多功能防護(hù)材料設(shè)計(jì)提供了新范式。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
