石墨烯的性质及其吸波性和屏蔽性

一、石墨烯的发现

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈•K•海姆(Andre K.Geim)等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成，被命名为石墨烯。

二、石墨烯的结构

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

三、石墨烯的特性

1、电子效应

石墨烯从发现到现在，因为其无与伦比的高电子迁徙率，使其电性质研究的最深。石墨烯的电子迁徙率大小不随温度的变化而变化，因为石墨烯的晶格震动对电子散射很少，几乎不受温度变化的影响。不论温度如何变化，石墨烯的电子迁徙率大约都是15000cm²/vs。

石墨烯的超强导电性与他特殊的量子隧道效应有关。量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越能量比自己高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致。所有粒子都发挥的量子隧道效应，通过率达100%。

2、非电子效应

石墨烯的导热能力出众，达到了5000W/（m•k），是金刚石的5倍。同时，石墨烯是目前世界上已知的最为坚固的材料，在石墨烯样品开始碎裂前，其每1nm的距离上能够承受的最大压力达到2.9微牛。而且石墨烯还同时展现了高韧性和高脆性亮哥互相矛盾的特性。

3、化学性质

类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。这些吸附物往往作为体或者受体并导致截留子的变化。石墨烯本身仍然是高导电，如氢离子、氢氧根粒子则会导致导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰不同的吸附物而已。

四、石墨烯的吸波性

随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。此外，在未来高技术、立体化战争中，武器装备随时面临着探测与反探测的严峻挑战。提高军事装备的战术技能，隐身技术已经成为未来高技术战争的重要研究课题。吸波材料是隐身技术中的关键环节，将吸波材料引入隐身技术的研究受到世界各国的高度重视。

吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗电磁波能量转换为热能或其他形式的能量，一般由基体材料与吸收介质复合而成。

石墨烯是一种二维材料，具有优异的导电性和导热性。由于石墨烯是纳米级，具有新的性能。根据理论推导，石墨烯会吸收πα≈2.3%的白光（α指精细结构场数）。目前，石墨烯作为电磁干扰吸波材料在国内外都处于起步阶段。而相关研究表明，石墨烯所具备的片貌相对于棒状状形或球状对材料的吸波性更加有利。

Ling等和Mikhailov研究了石墨烯在电磁波方面的干扰特性和响应特性，发现石墨烯在X波段电磁干扰效果好，石墨烯的电子对频率的辐射具有非线性响应的特点。石墨烯对电磁波的干扰特性和可能实现对电磁干扰材料吸收频段宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点。都是人们所希望的电磁干扰材料。石墨烯的吸波层厚度为lmm时，在7GHz左右最大衰减值为一6．5dB。但是不能实现对微波的90%的衰减。

不同厚度的石墨烯理论反射损耗频率的变化曲线

不同厚度的镀镍石墨烯理论反射损耗频率的变化曲线

随着科学的发展，人们对吸波材料的要求越来越高，而石墨烯具有的吸波性能和特性都是其他材料所不能具有的，因而人们为了提高石墨烯的吸波性能，对石墨烯进行了改性。湖南大学化学化工学院对用还原液相悬浮氧化石墨法制的了石墨烯并进行了镀镍。试验结果表明，镀镍石墨烯复合材料的微波吸收峰也随着厚度的增加而向低频移动，且吸波水平达到-10dB以上。可以实现对入射电磁波90%的功能衰减。

清华大学运用石墨的层状结构，将石墨剥离成了纳米级的石墨烯层片，选择了铁钴镍合金粒子作为负载材料。用较为简单的共沉积方法制的了合金/石墨烯的吸波剂。电磁波的吸收性能得到了很大的提高。

随着吸波材料的快速发展，吸波材料的性能也需要提高，而石墨烯具有的特殊的性能和结构，必然随着科学的进步，必然会在强吸收性能材料的复合及其纳米化方面大放异彩。

五、石墨烯的屏蔽性

电子产业的飞速发展，各种电器被广泛使用，大大提高了人们的生活效率，改善了生活质量，但也是一把"双刃剑"，因为这些电器随时都在发出电磁波。电磁波向空中发射或泄露的现象被称为"电磁辐射"。只要各种电器处于使用状态就无时不刻的再产生电磁辐射。这些电磁波对人体的健康产生了很大的威胁，电磁屏蔽材料就应运而生。电磁屏蔽的作用使减弱由某些辐射源所产生的某个区内德辐射效应，有效的控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料，由于导体材料对电磁能流具有反射的引导作用，在导体材料北部产生与原电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱原电磁场的辐射效果。

石墨烯基友优异的导电性。是作电磁蔽涂料的优良材料。碳系材料的屏蔽作用主要取决于表面反射，而石墨烯的结构有利于提高多次反射损耗。导电膜就是一种应用比较广泛的电磁屏蔽材料。石墨烯是片状结构，如果其一层一层的紧密平行排列，过面与面的接触实现导电通路，由于接触面大、电阻小，导电能力较强。这就是理想中的石墨烯屏蔽材料的的导电网络。

理想的导电网络

青岛大学用石墨烯（质量分数5%）为导电填料，水性苯丙乳液（质量分数30%）为基体，用共混的方法制得一种全新的复合导电膜。由图看出，制得的导电膜石墨烯片层构成的导电网络蓬松，取向不一，层与层之间存在不少的空隙，存在结构上的缺陷。导电膜结构中空隙的增大、增多不利于其导电性能。

复合导电膜的截面

为了避免这些缺陷，因此选择尝试添加了少量纳米金属银的方法。纳米银粒充当导电网络的节点，使其导电能力增强。石墨烯的片状结构在二维平面上虽然容易接触形成导电网络，但在三维空间结构内，层与层之间容出现间隙用纳米银粒充当导电网络的节点，使相邻石墨烯薄片进行点接触，增加了石墨烯导电网络的通路数量、降低了导电通路的阻值。使其导电能力增加。屏蔽性能增加。

六丶石墨烯的展望

石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多未知领域，石墨烯的很多性质尚不完善，如电子性能，磁性等。开拓石墨烯和其它学科的交叉领域，探索石墨烯功能化的新性能，目前有机化学家和材料化学家二者结合，致力于找到更好的合成路线，制备高质量的石墨烯。是以后对石墨烯研究的主要方向。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。

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作者：石永川  指导老师：付真金  学号：20080083