兼具高效屏蔽与隐身——基于石墨烯/碳纳米管复合泡沫结构的高性能太赫兹波吸收材料

太赫兹技术是21世纪的重要新技术领域,包括太赫兹无线通讯、数据传输、太赫兹成像及太赫兹探测等方面取得了一系列突破性进展,在民用科技及国防军事领域具有重要的应用前景。例如,太赫兹无线数据传输系统传输速度可以达到10-100 Gb/s,同时太空环境下太赫兹波的传输几乎没有损耗,使得太赫兹信息通讯技术有望成为太空数据传输的重要手段。而随着太赫兹技术在电子设备、信息通讯、雷达探测等前沿领域的推广,太赫兹隐身及屏蔽材料的研发备受关注,在电磁防护、信息保密、国防安全等方面具有非常重要的研究意义。

太赫兹屏蔽材料是指在太赫兹频段具备低透射率的材料。太赫兹屏蔽材料能够有效降低太赫兹电磁信号之间的干扰,改善信号传输环境,让精密的电子元件能够正常工作。此外,在通讯、成像、传感过程中太赫兹所携带的信息也需要屏蔽材料进行保护,以免被泄露。传统的反射型太赫兹屏蔽材料存在两个明显的缺点:第一,太赫兹辐射干扰不能被完全消除,反射回去的太赫兹波仍然会对仪器内部其他精密电子元件造成干扰;第二,反射型屏蔽材料密度一般较大,然而,密度是应用领域关键的参考因素。太赫兹隐身材料是指在太赫兹频段具备低反射、高吸收率的吸波材料。太赫兹隐身材料是隐身军用装备的关键部分。现有的太赫兹隐身材料只能在某个特定频率获得较高的吸收,合格带宽小、极化和入射角敏感等问题比较突出。因此,发展一种兼具优异太赫兹隐身及屏蔽性能的轻质材料具有重要的科学意义和应用前景。

南开大学的黄毅教授、陈永胜教授及其合作者在高性能屏蔽/隐身材料方面开展了创新工作。他们首次报道了基于三维石墨烯的超宽频雷达隐身(Adv. Mater., 2015, 27, 2049, 他引340次)和太赫兹隐身材料(Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363),并对其结构调控及性能优化方面作了深入研究(Carbon, 2017, 124, 506; Carbon, 2016, 105, 438)。最近,他们利用石墨烯和碳纳米管优异的电磁响应特性,并充分发挥二者的协同效应,通过原位组装策略,得到了兼具优异的太赫兹屏蔽及隐身性能的石墨烯/碳纳米管三维多孔复合材料。通过优化石墨烯和碳纳米管的比例以及热处理温度,石墨烯/碳纳米复合材料在整个0.1-1.6 THz测试频段内可以实现20 dB以上的电磁屏蔽效率以及15 dB以上的隐身性能。同时,其平均电磁屏蔽效率和隐身性能分别可以达到61 dB和30 dB。进一步的研究发现,该材料对太赫兹的反射低于1.1% (0.05 dB) ,远远低于传统的太赫兹屏蔽材料,这说明该石墨烯/碳纳米管宏观体材料是一种以吸收为主导的高效太赫兹屏蔽材料,其中高度多孔的结构在太赫兹屏蔽和吸收过程射中起到了重要作用。该研究不仅为低反射型太赫兹电磁屏蔽材料的设计提供了新思路,也提供了一种兼具优异的太赫兹屏蔽及隐身性质的多功能材料。相关论文发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801165)上。

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