《J. Mater. Sci. Technol.》：超轻有序层状聚酰亚胺基石墨烯复合泡沫微波吸收性能研究
Ultralight and ordered lamellar polyimide-based graphene foams with efficient broadband electromagnetic absorption
Yawei Zhang, Shuangshuang Li, Xinwei Tang, Wei Fan, Qianqian Lan, Le Li, Piming Ma, Weifu Dong, Zicheng Wang*, Tianxi Liu*
J. Mater. Sci. Technol. 2021, DOI:10.1016/j.jmst.2021.07.011
随着电子通信技术的不断发展，电磁辐射已经成为一种非常严重的环境污染源，不仅会对精密电子仪器的正常运行造成干扰，而且会对人类的身体健康产生危害。因此，研究开发兼具吸收频带宽和吸收能力强的高性能微波吸收材料就变得尤为迫切。近年来，聚合物基多孔纳米复合材料以其密度小、比表面积大、可加工性强和耐腐蚀性能好等优点受到了广泛关注和研究。然而，目前聚合物基多孔纳米复合材料却存在吸收能力差、带宽窄、波段单一等问题。对于吸波材料来说，改善表面阻抗匹配可以有效地促进入射电磁波最大限度地进入材料内部；此外，优化材料的阻抗分布和微观结构有助于提高入射电磁波的衰减能力。因此，如何合理优化聚合物基多孔纳米复合材料内部的阻抗匹配分布和微观结构对于开发高性能微波吸收材料至关重要。
鉴于此，江南大学纳米复合与能源材料研究中心刘天西教授课题组利用双向冷冻工艺制备具有有序层状孔结构的超轻聚酰亚胺基石墨烯纳米复合泡沫材料。研究发现，具有电磁绝缘特性的聚酰亚胺基体与具有电磁耗散功能的石墨烯纳米片之间的有效复合能够大幅提升材料的表面阻抗匹配性能，使得大量入射电磁波可以进入材料内部。同时，相较于传统各向同性的随机孔结构，有序层状孔结构的有效构筑使得在材料单位体积内形成更多的反射界面，能够延长入射电磁波在材料内部发生反射/散射时的传播路径，从而实现对入射电磁波的逐层耗散。该制备过程简单易操作，绿色环保，且所制备的聚酰亚胺基石墨烯复合泡沫具有结构稳定、收缩率低、热稳定性高等优点。在保持轻质低密度的同时能够实现对入射电磁波的高效吸收，且具有较宽的频带宽度，极大拓宽了聚酰亚胺泡沫的应用范围。当冷冻温度为-70 ℃、添加浓度为10 mg/mL、添加比例为1：1时，兼具超低密度（9.10 mg/cm3）的复合泡沫rGO/PI-70-1-1展现出最佳微波吸收性能。当材料厚度为4.75 mm时，其在9.25 GHz频率下表现出最小反射损耗值（-61.29 dB），即微波吸收率达99.9999%，性能远优于商用微波吸收材料（-10 dB）。同时，有效吸收带宽（< -10 dB）达到5.51 GHz，范围为7.06-12.57 GHz，吸收波段覆盖整个X波段。此外，还可以通过改变冷冻温度、添加浓度和添加比例等实验条件来进一步优化材料内部阻抗分布和微观结构，进而实现复合泡沫材料微波吸收性能可控调节，使其有望成为一种具有明显竞争优势的轻质高效微波吸收材料。
有序层状聚酰亚胺基石墨烯复合泡沫材料的制备及反射损耗图。
