Poröse Graphen-Mikroblumen für Hochleistungs-Mikrowellenabsorption
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Zusammenfassung
Graphen hat aufgrund seiner großen Oberfläche, geringen Dichte, einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit und guten chemischen Stabilität ein großes Potenzial für die Mikrowellenabsorption (MA) gezeigt. Um die MA-Fähigkeit von Graphen voll auszuschöpfen, sollte die Mikrostruktur von Graphen sorgfältig untersucht werden.
Hier haben wir Graphen-Mikroblumen (Gmfs) mit hochporöser Struktur als leistungsstarkes MA-Füllmaterial hergestellt. Die effiziente Absorptionsbandbreite (Reflexionsverlust ≤ -10 dB) erreicht 5,59 GHz und der minimale Reflexionsverlust beträgt bis zu -42,9 dB, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zu gestapeltem Graphen darstellt.
Diese Leistung ist höher als die der meisten Graphen-basierten Materialien in der Literatur. Außerdem sind der niedrige Füllgehalt (10 Gew.-%) und die geringe Dichte (40-50 mg cm-3) für praktische Anwendungen von Vorteil. Ohne die Beimischung von magnetischen Materialien oder leitfähigen Polymeren zeigen Gmfs mit Hilfe eines rationalen Mikrostrukturdesigns eine hervorragende MA-Leistung.
Darüber hinaus weisen Gmfs im Vergleich zu anderen porösen Graphenmaterialien, einschließlich Aerogele und Schäume, Vorteile bei der einfachen Verarbeitbarkeit und großtechnischen Herstellung auf.
Höhepunkte
- Graphen-Mikroblumen (Gmfs) für hervorragende Mikrowellen-Absorptionsleistungen werden in einem dreistufigen Protokoll hergestellt.
- Die porösen Gmfs weisen eine breite effiziente Absorptionsbandbreite von 5,59 GHz mit einem minimalen Reflexionsverlust von -42,9 dB auf und übertreffen damit die meisten bisher bekannten Materialien auf Graphenbasis.
- Die Massenproduktivität, der niedrige Füllstoffgehalt (10 %) und die geringe Dichte (40-50 mg cm-3) der Gmfs sind für ihre praktischen Anwendungen von Vorteil.
Einführung
Die Mikrowellentechnologie befindet sich seit dem letzten Jahrhundert in einer rasanten Entwicklung und deckt umfangreiche Anwendungsbereiche ab, wie z. B. Satellitenkommunikation, Radarerfassung, Informationssicherheit und Mikrowellenheizung [1, 2].
Im Hinblick auf die Lärmreduzierung und die Tarnkappentechnologie hat die Mikrowellenabsorption (MA) enorme Aufmerksamkeit erhalten. Außerdem fördert der physische Schutz vor Mikrowellen die Entwicklung der MA-Technologie [3].
Um die Anforderungen von geringer Dichte, langer Dauer und breiter Absorptionsbandbreite zu erfüllen, sollten ideale Absorber mehrere Eigenschaften besitzen: rationelle chemische Zusammensetzung zur Impedanzanpassung, geringe Dichte, niedriger Füllgrad, Kosteneffizienz, hohe thermische und chemische Dauer und Massenproduktivität [4,5,6].
MA-Materialien können je nach Absorptionsmechanismus in magnetische, dielektrische und elektrisch leitfähige Kategorien eingeteilt werden [1, 7, 8]. Die am häufigsten verwendeten MA-Materialien basieren auf einer magnetischen Verluststrategie, z. B. Fe3O4 und Ferrit.
Diese magnetischen Werkstoffe weisen eine gute MA-Leistung auf, während ein hoher Füllstoffanteil, eine hohe Dichte und eine geringe Korrosionsbeständigkeit ihre Anwendungen einschränken. Magnetische Werkstoffe mit einem Füllstoffanteil von mehr als 50 Gew.-% wurden häufig beschrieben [9,10,11,12].
In solchen Fällen waren die mechanischen Eigenschaften und die Dimensionsstabilität der Massenmaterialien stark beeinträchtigt. Andererseits haben kohlenstoffhaltige Materialien den Vorteil einer geringen Dichte und eines niedrigen Füllstoffgehalts [13, 14].
Unter allen Kandidaten hat Graphen aufgrund seiner großen Oberfläche, einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit, geringen Dichte, hohen Stabilität und guten Verarbeitbarkeit ein ausgeprägtes Potenzial gezeigt [15,16,17,18].
Leider ist die MA-Leistung von Graphen immer noch relativ gering. Singh et al. [19] berichteten über die besten MA-Fähigkeiten von reinem Graphen durch die Verbindung von reduziertem Graphenoxid (RGO) mit Gummi.
Der Verbundstoff weist eine effiziente Absorptionsbandbreite (EAB) von 4,5 GHz auf, die unter den MA-Materialien moderat ist. Erst kürzlich berichteten Chen et al. [20,21,22], dass Graphen-Aerogel aufgrund des porösen 3D-Netzwerks als gutes Mikrowellen-Dämpfungsmaterial mit einer hohen EAB (bis zu 60,5 GHz, gemessen mit der Bogenmethode, etwa 8 GHz, gemessen mit der Übertragungsleitungsmethode) fungieren kann.
Außerdem wurden viele Anstrengungen unternommen, Graphen mit anorganischen magnetischen Stoffen zu verbinden, um Graphen-basierte MA-Materialien herzustellen. Zhang et al. [23] entwickelten einen RGO/MnFe2O4-Verbundwerkstoff mit einem EAB von 4,88 GHz und einem minimalen Reflexionsverlust (RL) von -30 dB. Feng et al. [24] beschichteten ZnFe2O4 mit SiO2 und RGO, was zu einem EAB von 6 GHz und einem minimalen RL von -43,9 dB führte.
Allerdings wurde der Mikrostruktur des einzelnen Graphens, die einen großen Einfluss auf die MA-Leistung haben könnte, keine Aufmerksamkeit geschenkt. Im Vergleich zu geschichteten Strukturen können gefaltete Graphenanordnungen mit hoher Porosität den Mehrfachreflexionsverlust von Mikrowellen verursachen [25].
Wir haben hier poröses Gmfs-Pulver mit hoher MA-Leistung hergestellt. Gefaltete Graphenblätter fügen sich zu blumenförmigen Mikropartikeln zusammen und bilden eine Skelettstruktur mit einer großen Oberfläche von 230 m2 g-1 und einer geringen Dichte von 40-50 mg cm-3.
Die maximale EAB erreicht 5,59 GHz und die minimale RL beträgt bis zu -42,9 dB, was höher ist als bei reinen Graphen-Füllern und den meisten Materialien auf Graphenbasis in der Literatur. Darüber hinaus deutet der niedrige Füllstoffgehalt (10 Gew.-%) auf eine hohe Kosteneffizienz hin, die praktische Anwendungen begünstigt.
Die hervorragende MA-Fähigkeit von Gmfs ist auf die Skelett-Mikrostruktur zurückzuführen, die nicht nur die Dämpfung von Mikrowellen durch Mehrfachreflexion zwischen Graphenschichten, sondern auch die Bildung eines leitfähigen Netzwerks begünstigt.
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