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