随着电子技术发展，电磁污染问题日益突出，开发高效电磁波吸收材料成为迫切需求。碳基材料凭借轻质、高导电性和可调电磁特性成为研究热点，其类型主要包括石墨烯、碳纳米管和生物质碳。石墨烯作为单层二维碳材料，具有高电子迁移率和大比表面积；碳纳米管凭借独特管状结构和优异电磁性能成为理想选择；生物质碳原料来源广泛且成本低廉，展现出良好的吸波潜力。
 
 
图1. 电磁波吸收的主要介电和磁损耗机制。(a) 电导损耗。经许可转载自参考文献。(b) 极化损耗。经许可转载自参考文献[34,35]。(c) 自然共振。经许可转载自参考文献。(d) 交换共振。经许可转载自参考文献。(e) 涡流损耗。经许可转载自参考文献。
 
 
图2. 改性石墨和石墨烯在微波吸收中的应用。 (a) 石墨的晶体结构和层堆叠模型。经Ref. 许可转载。 (b) 不同压缩应变下全石墨烯气凝胶的微波反射损耗曲线。经Ref. 许可转载。 (c) 石墨烯泡沫的微波吸收机制示意图。经Ref. 许可转载。 (d) 错层圆形纳米多孔石墨烯的制备示意图。 (e) 错层双层石墨烯的透射电子显微镜图像。经Ref. 许可转载。 (f) 石墨中的原子掺杂和缺陷用于介电共振。经Ref. [68,69]许可转载。 (g) 硫掺杂空心石墨化碳纳米球用于电磁波吸收。经Ref. 许可转载。 (h) 不同石墨化程度碳的电磁波损耗行为。经Ref. 许可转载。
 
 
图3。石墨烯氧化物（GO）和还原石墨烯氧化物（r-GO）用于微波吸收。（a） 从石墨到GO和r-GO的过程示意图。经Ref. 许可转载。（b） 氧化共轭区域的示意图。经Ref. 许可转载。（c） 低负载和高负载r-GO的介电损耗机制。经Ref. 许可转载。（d） 用于微波吸收的蜂窝状r-GO复合材料。经Ref. 许可转载。（e） r-GO海绵超结构的微波反射损耗（RL）曲线。经Ref. 许可转载。（f） 中空r-GO碗的制备过程和缺陷演变。经Ref. 许可转载。（g） r-GO气凝胶的电磁波衰减机制。经Ref. 许可转载。（h） 不同片层大小的r-GO的扫描电子显微镜（SEM）图像和反射损耗（RL）。经Ref. 许可转载。（i） 打印的GO和r-GO层压板。经Ref. 许可转载。
 
 
图4.CNT用于微波吸收。(a) 单壁和多壁CNT的晶体结构。经Ref. 许可转载。(b) CNT的主要微波损耗机制。经Ref. [87-91]许可转载。(c) 不同非晶-石墨比CNT的制备及其相应的微波反射损耗。经Ref. 许可转载。(d) 非晶CNT的透射电子显微镜(TEM)图像。经Ref. 许可转载。(e) 不同壁层CNT的Cole-Cole图。经Ref. 许可转载。(f) 不同交错角(0°，45°，和90°)的交叉堆叠对齐CNT的扫描电子显微镜(SEM)图像及相应的电荷密度分布。经Ref. 许可转载。(g) 人工设计的CNT基复合结构中的介电共振。经Ref. 许可转载。(h) CNT基气凝胶的微波吸收机制。经Ref. 许可转载。(i) 与石墨烯片结合的CNT的制备及形貌。经Ref. 许可转载。
 
 
图5. 用于微波吸收的碳纳米纤维（CNFs）。
(a) CNFs电纺丝制备和微波响应机制的示意图。经许可转载自参考文献[102,103]。
(b) CNF-NP和CNF-PN的介电损耗机制。经许可转载自参考文献[104]。
(c) 固体CNFs和多孔CNFs的比较。经许可转载自参考文献[105]。
(d) 氧化石墨烯包裹的CNFs的透射电子显微镜（TEM）图像、微波吸收机制和反射损耗（RL）曲线。经许可转载自参考文献[106]。
(e) 不同形式的碳纳米管/碳纳米纤维（CNTs/CNFs）的扫描电子显微镜（SEM）图像及其介电响应行为。经许可转载自参考文献[107]。
(f) CNFs-石墨化碳纳米片复合材料的极化-弛豫过程。经许可转载自参考文献[108]。
 
 
图6.g-C3N4和MXene在微波吸收中的应用。(a) g-C3N4的结构。经Ref. [118]许可转载。(b) g-C3N4中的导电损耗和极化弛豫。经Ref. [119]许可转载。(c) S/P掺杂纳米多孔g-C3N4的制备和介电响应。经Ref. [121]许可转载。(d) 多孔g-C3N4纳米片的微波吸收机制。经Ref. [122]许可转载。(e) MXene及其电磁响应。经Ref. [123,124]许可转载。(f) MXene Ti3C2的透射电子显微镜图像和RL。经Ref. [125]许可转载。(g) TisC2Tx中层间距和终止的同时调整示意图。经Ref. [126]许可转载。(h) 超轻MXene Ti3C2Tx泡沫的制备及其微波耗散机制。经Ref. [127]许可转载。(i) 生物仿生MXene复合膜及其微波吸收机制。经Ref. [128]许可转载。
 
 
图7.用于微波吸收的碳/非磁性金属复合材料。(a) Cu/C核壳纳米线和它们的介电响应机制。经许可转载自参考文献[136]。(b) Cu纳米团簇-碳网络复合材料的电磁波吸收机制。经许可转载自参考文献[137]。(c) Sn纳米颗粒在碳基体中的分裂过程和相应的透射电子显微镜图像。经许可转载自参考文献[138]。(d) Fe单原子和亚团簇@氮掺杂碳纳米笼的微波吸收性能和介电损耗机制。经许可转载自参考文献[139]。(e) 氮掺杂石墨碳上的Co单原子和团簇。经许可转载自参考文献[140]。(f) 非平面石墨烯上的Fe单原子及其介电特性。经许可转载自参考文献[141]。
 
 
 
图8. 用于微波吸收的碳/介电氧化物复合材料。(a) 一维管中丝状ZnO@碳纳米线和它们的介电损耗。转载自参考文献[152]。(b) MnO@C在不同纳米结构下的介电参数和电荷密度分布。转载自参考文献[153]。(c) TiₓO₂ₓ-1/CNTs复合材料的相变过程和微波吸收机制。转载自参考文献[155]。(d) 可逆介电变化和r-GO/VO₂复合气凝胶的“开/关”可切换微波吸收性能。转载自参考文献[156]。(e) 超细空位丰富的Nb₂O₅/碳纳米片复合材料。转载自参考文献[157]。(f) 具有大角度晶界及其介电响应的Fe基氧化物/碳复合材料。转载自参考文献[158]。(g) MnFe₂O₄/LaMnO₃/LaFeO₃异质结构和缺陷丰富的碳纳米复合材料用于增强的介电损耗。转载自参考文献[159]。
 
 
图9. 用于微波吸收的碳/硫化物复合材料。 (a) “非标准”蛋黄壳结构NiS,@N，S掺杂碳及其微波吸收机制。经Ref. [160]许可转载。 (b) 蛋黄壳结构碳@CoS及其电磁响应机制。经Ref. [161]许可转载。 (c) 层状Bi2S3/Ti3C2Tx复合材料及介电损耗机制。经Ref. [162]许可转载。 (d) 一维Ti3C2Tx/MoS2自卷曲棒基泡沫和碳纤维@MXene@MoS2核壳复合材料用于增强微波吸收。经Ref. [163]许可转载。 (e) CuCo2S4@膨胀石墨复合材料和电磁吸收机制。经Ref. [164]许可转载。 (f) 核壳空心碳球@MoS2Se2-x复合材料，具有改善的介电损耗。经Ref. [165]许可转载。 (g) 碳纤维@1T/2H MoS2复合材料。经Ref. [166]许可转载。
 
 
图10。用于微波吸收的碳/磁性金属复合材料。(a) 封装在CNTs中的Fe及其2至18 GHz的RL曲线。经许可转载自参考文献[168]。(b) 嵌入多壁CNTs中的Fe/Co/Ni及其频率依赖的介电/磁损耗正切值。经许可转载自参考文献[169]。(c) MXene-FeCo纳米花薄膜及其RL曲线。经许可转载自参考文献[170]。(d) Co@N掺杂碳纳米笼及其最大RL值和带宽。经许可转载自参考文献[171]。(e) 高熵MXene/中熵合金复合材料的电磁波吸收机制。经许可转载自参考文献[174]。(f) 一维FeCoNi/碳纤维的磁性耦合和重建磁性全息图。经许可转载自参考文献[175]。(g) 通过原位电弧放电法制备的高熵合金@石墨纳米胶囊及其优化的微波吸收性能。经许可转载自参考文献[176]。
 
 
图11. 用于微波吸收的碳/磁性氧化物复合材料。 (a) Fe₃O₄团簇-氮掺杂石墨烯复合材料及其电磁波响应特性。经Ref. [178]许可转载。 (b) 纳米多孔Fe₃O₄@碳复合材料和RL。经Ref. [179]许可转载。 (c) Fe₃O₄@Zn-N-碳微球及其磁介电协同损耗。经Ref. [180]许可转载。 (d) Fe₃O₄@C/r-GO气凝胶及其磁介电损耗机制。经Ref. [181]许可转载。 (e) NiCo₂O₄/中空介孔碳纳米球复合材料。经Ref. [182]许可转载。 (f) 分级碳/中空CoFe₂O₄复合材料的微波吸收机制。经Ref. [183]许可转载。 (g) NiFe₂O₄/Ti₃C₂Tx复合材料的电磁衰减机制。经Ref. [184]许可转载。 (h) 一维磁性铁氧体/碳纤维及其微波吸收性能。经Ref. [185]许可转载。
 
 
图12.用于微波吸收的碳/电介质/磁性多组分复合材料。(a) 蛋黄壳结构Ni@C@ZnO复合材料及其微波吸收机制。经参考文献[187]许可转载。(b) 六角星形、花形Co@ZnO@N掺杂碳复合材料和磁介电损耗机制。经参考文献[188]许可转载。(c) 嵌入非晶碳基体中的核壳Fe/MnO@C纳米胶囊和电磁波衰减机制。经参考文献[189]许可转载。(d1) 多壳Fe@C@TiO2@MoS2异质结构的扫描电子显微镜图像，(d2) 重建的磁性全息图，以及(d3) 微波吸收机制。经参考文献[190]许可转载。
 
电磁波吸收机制主要涉及介电损耗、磁损耗及多重散射效应。介电损耗源于材料电导率和极化作用，碳基材料的高导电性使其成为主要损耗途径；磁损耗通过复合磁性物质引入磁滞、涡流等效应实现协同增强；材料内部孔隙与界面引起的多重反射和散射可延长电磁波传播路径，促进能量耗散。为优化性能，研究者通过微观结构调控（如构建多孔结构增加散射）、形貌设计（一维至三维多尺度结构）以及组分复合（引入磁性颗粒或导电聚合物）提升阻抗匹配与损耗效率。
 
碳基材料在电磁屏蔽、隐身技术和雷达吸波等领域应用前景广阔，但仍面临吸收带宽不足、环境稳定性差及规模化生产困难等挑战。未来研究需聚焦新型复合结构开发，探索多机制协同效应，同时优化制备工艺以降低成本，推动材料从实验室向工程化应用转化。此外，深入解析微观结构与性能的构效关系，建立精准理论模型，将为高性能碳基吸波材料的设计提供重要指导。

转自《石墨烯研究》公众号