西南交通大學材料科學與工程學院孟凡彬“電磁功能材料”團隊近年來致力于電紡制備具有輕質寬頻高效吸波功能的石墨烯基氣凝膠微球研究（Nano Research, 2018, 11, 2847; Nano Research, 2020, 13, 477; Chemical Engineering Journal, 2020, 391, 123512；Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131746；材料工程，2021, 49 (11): 14-29.）。通過調控電紡過程中紡絲針頭結構和電紡參數，實現對微球內部結構和組分的可控制備，并根據對石墨烯基氣凝膠微球的結構/組分/形態的電磁仿真優化，實現石墨烯基氣凝膠微球對電磁波的高效寬頻吸收，并揭示多殼層氣凝膠微球對電磁波的多諧振協同響應和損耗機理。

在前期研究基礎上，孟凡彬團隊進一步提出利用同軸靜電紡絲結合冷凍干燥和熱還原技術制備了具有核殼異質結構的石墨烯基氣凝膠微球（圖1）。制備得到的氣凝膠微球具有獨特的微觀多孔結構，外殼層表現出三維有序多孔網絡結構，內核層呈現含有小孔結構的無序多孔碳形貌（圖2）。不同殼層微觀結構之間形成了清晰的異質界面，增加了材料的強界面極化效應。

圖1 核殼石墨烯基氣凝膠微球的制備流程圖

圖2 核殼石墨烯基氣凝膠微球微觀形貌表征

當核殼結構被引入氣凝膠微球時，材料可以通過次序損耗、多級異質結構協同和多諧振耦合提高電磁波的衰減性能。此外，核殼雙層石墨烯的三維導電網絡被部分破壞，可使阻抗匹配性能進一步提高。當在填料比僅為5.0 wt%條件，厚度為2.5 mm時，核殼氣凝膠微球的最小反射損耗達到?61.0 dB (頻率為13.8 GHz)，有效吸收帶寬達6.88 GHz。此外，通過調節氣凝膠微球的核殼比，其相應的有效吸收帶寬進一步拓寬至7.52 GHz（圖3）。

圖3 核殼石墨烯基氣凝膠微球吸波劑的吸波性能

研究發現，對比實心石墨烯氣凝膠微球和生物質碳微球，核殼結構的引入成功降低了氣凝膠微球的介電常數虛部，有效地調節了導電性和阻抗匹配之間的平衡。核層和殼層對電磁波具有不同的反射和散射響應，使電磁波實現連續次序吸收和多級耦合（圖4）。在核心層引入生物質衍生碳后，帶來了新的異質界面和多反射通道，降低了微球的導電性，特別是增加了氣凝膠微球中的諧振腔，從而提高了氣凝膠微球的阻抗匹配性能。在此基礎上，通過調節核殼石墨烯基氣凝膠微球的核層厚度，有效地拓寬了氣凝膠微球的吸收帶寬。電磁模擬進一步表明，包括電磁波次序衰減和諧振腔損耗在內的核殼雙層耦合可以實現寬頻高效電磁波吸收性能（圖5）。

圖4 核殼石墨烯基氣凝膠微球的機理示意圖

圖5 核殼石墨烯基氣凝膠微球的電磁仿真分析

本工作以“Core-shell heterogeneous graphene-based aerogel microspheres for high-performance broadband microwave absorption via resonance loss and sequential attenuation” 為題發表于Chemical Engineering Journal。共同第一作者為西南交通大學材料科學與工程學院2020級碩士研究生支丹丹和2019級碩士研究生李天，通訊作者為西南交通大學材料科學與工程學院孟凡彬副教授。本研究工作得到了國家自然科學基金（No.51903213和No. 5217130190）、中央引導地方科技發展資金（No. 2021Szvup124）、中央高校基礎研究經費（No. 2682021GF004）及國防項目等項目的資助與支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134496