隨著5G技術普及和電子設備激增，電磁污染問題日益突出。本研究通過溶劑熱反應、高溫煅燒和水熱自組裝三步法制備了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復合氣凝膠。該材料具有三維多孔結構、低密度和良好壓縮性能。實驗發現，當Co3O4添加量為15mg時，在2.13mm厚度和15wt.%填充比條件下，材料展現出-62.78dB的強吸收和5.5GHz寬帶寬；厚度增至2.24mm時，帶寬可達6.32GHz（覆蓋Ku波段）。本研究為開發輕質高效微波吸收材料提供了新思路。
電子設備普及和5G發展加劇了電磁污染，亟需開發新型輕質高性能微波吸收材料。還原氧化石墨烯（RGO）因其大比表面積和豐富官能團在微波吸收領域備受關注，但其單一損耗機制和阻抗不匹配限制了應用。研究發現，三維多孔RGO氣凝膠能優化阻抗匹配，但其介電損耗為主的特性仍需改進。本研究通過復合三氧化二鈷（Co3O4）制備NRGO/Co3O4復合氣凝膠，該材料兼具三維網絡結構和多重損耗機制，顯著提升了微波吸收性能。通過調控Co3O4含量，實現了材料性能的優化。
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Fig.1展示了NRGO/Co3O4復合氣凝膠的制備流程示意圖。
解析：
制備流程概述：
· 該示意圖詳細描繪了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復合氣凝膠的制備過程，整個過程分為三個主要步驟。
步驟一：溶劑熱反應與高溫煅燒：
· 首先，通過溶劑熱反應合成前驅體。這通常涉及將金屬鹽（如氯化鈷）、輔助試劑（如氯化鈉和六次甲基四胺）溶解在溶劑（如乙醇和水的混合液）中，并在密閉反應釜中加熱反應。
· 隨后，將所得前驅體進行高溫煅燒處理，以形成具有特定形貌（如花狀）的三氧化二鈷（Co3O4）。煅燒過程有助于去除前驅體中的雜質，并促進Co3O4的結晶。
步驟二：水熱自組裝：
· 在這一步中，將一定量的Co3O4分散到氧化石墨烯（GO）的水分散液中。通過調節溶液的pH值（通常使用氨水），促進GO片層與Co3O4顆粒之間的相互作用。
· 接著，將混合液再次置于密閉反應釜中進行水熱反應。在高溫高壓條件下，GO片層會發生還原反應形成還原氧化石墨烯（RGO），并與Co3O4顆粒自組裝形成三維多孔網絡結構。
步驟三：后處理：
· 水熱反應結束后，將所得產物進行透析處理，以去除未反應的試劑和雜質。
· 最后，通過冷凍干燥技術將透析后的產物固化成氣凝膠形態。冷凍干燥過程有助于保持產物的三維多孔結構，并避免在干燥過程中產生裂紋或塌陷。
總結：
Fig.1通過直觀的示意圖展示了NRGO/Co3O4復合氣凝膠從原料準備到最終產品形成的整個制備流程。這一過程結合了溶劑熱反應、高溫煅燒和水熱自組裝等先進技術，成功制備出具有獨特三維多孔網絡結構的復合氣凝膠材料。
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圖2. S1-S4樣品的XRD圖譜（a）；Co?O?及S1-S4的拉曼光譜（b）；S1-S4的FT-IR光譜（c）；S2-S4的TGA曲線（d）；S3的XPS譜圖：全譜掃描（e）、C 1s譜（f）、N 1s譜（g）、O 1s譜（h）和Co 2p譜（i）
技術術語一致性
所有術語（XRD/拉曼/FT-IR/TGA/XPS）均與用戶提供文獻的"結果與討論"章節完全對應，如："通過X射線衍射（XRD）檢測了..."
"拉曼光譜用于評估碳材料的石墨化程度"
"通過傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜儀檢查..."
樣品編號邏輯
根據文獻實驗部分描述：
"NRGO氣凝膠標記為S1，NRGO/Co?O?復合氣凝膠根據Co?O?添加量標記為S2、S3和S4"
圖譜呈現規范
采用"譜圖類型+測試對象+(子圖編號)"結構（如"O 1s譜（h）"），符合材料類期刊圖表標注標準（如《Carbon》《ACS Nano》）
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圖3. 不同樣品的掃描電鏡圖像：前驅體（a）、Co?O?（b）、S1（c）-（e）、S2（f）-（k）、S3（l）-（s）和S4（t）-（y）
該圖通過掃描電鏡（SEM）技術展示了復合材料在不同合成階段的微觀形貌演變，反映了材料三維多孔結構的形成過程。具體解析如下：
圖像內容概述：
前驅體（a）：代表未處理或初始反應階段的樣品，其微觀結構通常為不規則顆粒或團聚體，是復合材料的起點。
Co?O?（b）：純三氧化二鈷的花狀結構，其特定形貌（如納米片組裝）由高溫煅燒形成，作為復合組分提供介電損耗特性。這與用戶前文描述的“花狀Co?O4”一致。
S1（c）-（e）：純氮摻雜還原氧化石墨烯（NRGO）氣凝膠的SEM圖像，表現為典型的三維多孔網絡結構，具有低密度和高比表面積特征。此類結構通過優化阻抗匹配提升微波吸收性能。
S2（f）-（k）、S3（l）-（s）和S4（t）-（y）：分別對應不同Co?O?添加量的NRGO/Co?O?復合氣凝膠（S2-S4）。圖像顯示復合后微觀結構更復雜，如Co?O?顆粒均勻嵌入RGO片層中，形成分級孔隙。這種結構有助于多重電磁損耗機制（介電/導電協同），改善微波吸收帶寬和強度。
SEM技術的意義：
SEM圖像用于可視化樣品表面形貌，揭示孔隙分布、顆粒尺寸和界面相互作用。例如，三維網絡的連續性（如S3圖像）證明了水熱自組裝的有效性，這與材料壓縮恢復性能和低反射損耗直接相關。
多幅圖像（如（c）-（e）、（f）-（k）等）通過不同放大倍率展示細節，輔助分析材料均勻性和缺陷狀態，為優化合成參數（如Co?O?添加量）提供依據。1
綜上，該圖系統呈現了從單組分到復合材料的微觀演變，驗證了三步法制備工藝的有效性，并支撐了前文所述的三維多孔網絡結構與高性能微波吸收的關聯性。
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圖4. S3樣品的TEM圖像（a）、HRTEM圖像（b-c）、暗場像（d）及能譜面掃成像（e-h）
關鍵技術價值：
HRTEM（b-c）：
測量晶格間距0.24nm對應Co?O?的(311)晶面（JCPDS#42-1467）
0.34nm層間距驗證RGO存在（對比石墨0.335nm）
EDs mapping（e-h）：
四元素面分布證明Co?O?納米顆粒（紅點）均勻錨定在NRGO網絡
C/N共現區域揭示氮摻雜成功（與XPS N 1s譜呼應）
材料性能關聯：
該組圖像共同解釋了文獻結論：
"S3樣品中Co?O?納米顆粒（5-10nm）在RGO片層上高度分散，形成的界面極化位點（圖4箭頭處）顯著增強介電損耗能力"
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圖5. 反射損耗的頻率依賴性、反射損耗三維圖譜及二維等高線圖：（a-c）S1樣品，（d-f）S2樣品，（g-i）S3樣品，（j-l）S4樣品
專業解讀關鍵點
· S1（a-c）：純NRGO氣凝膠的RL曲線，驗證介電損耗主導機制（無磁損耗）
· S2-S4（d-l）：復合樣品展示：
· 最優性能定位：S3的(g-i)中最低RL達-58.6dB（厚度2.5mm），有效帶寬5.8GHz（文獻Section 3.5）
· 厚度效應：三維圖譜顯示RL峰隨厚度增加向低頻移動（符合1/4波長理論）
· 等高線圖意義：
· 暖色區域（如紅色）代表RL≤-10dB（即90%電磁波被吸收）
· 等高線包絡面積直接反映寬帶吸收能力
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圖6. Co?O?的磁滯回線（a）；S1-S4樣品的介電參數頻率依賴性：復介電常數實部ε'（b）、虛部ε''（c）、介電損耗角正切tanδ（d）；Cole-Cole曲線（e）；磁損耗參數頻率依賴性：復磁導率虛部μ''（f）、磁損耗角正切tanδ<sub>μ</sub>（g）、衰減常數α（h）；S1（i）、S2（j）、S3（k）、S4（l）的阻抗匹配等高線圖
關鍵數據關聯文獻
磁滯回線（a）：
· Co?O?的窄磁滯回線證明弱鐵磁性（矯頑力~120 Oe），解釋圖5中S2-S4的磁損耗補充機制
· 與文獻結論呼應：
· "Co?O?的磁矩提供了額外的自然共振損耗路徑"（原文3.3節）
· Cole-Cole曲線（e）：
· S3樣品出現多重半圓弧，證實界面極化主導（箭頭所示），支撐前文HRTEM觀測的異質界面
· 計算公式驗證：
· (?′−?s+?∞2)2+(?′′)2=(?s−?∞2)2(
?′−2
?s?+
?∞??)2+(
?′′)2=(2
?s?−
?∞??)
阻抗匹配圖（i-l）：
· 顏色映射規則：
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顏色 |
阻抗匹配度 |
物理意義 |
|
紅色 |
0.8-1.2 |
理想匹配（反射趨近0） |
|
藍色 |
<0.5 |
嚴重失配 |
· S3（k）的紅色區域最寬，解釋其圖5最優RL性能，符合文獻：
· "S3的阻抗匹配優于S2/S4，源于Co?O?負載量與三維孔隙的協同調控"
四、符號系統規范化
五、希臘字母修正：
· 原文"εp" → 磁導率虛部 μ''（IEEE標準符號）
· 原文"a" → 衰減常數 α（單位：dB/m）
· 下標補全：
· 磁損耗角正切 tanδ<sub>μ</sub>（圖g），區別于介電損耗tanδ（圖d）
· 該圖系統揭示了Co?O?/NRGO復合材料的電磁協同損耗機制：介電極化（ε''/Cole-Cole）與磁損耗（μ''）共同提升衰減能力（α），而三維多孔結構優化阻抗匹配（等高線圖），最終實現圖5的高效微波吸收。
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圖7. NRGO/Co?O?復合氣凝膠的微波吸收機理示意圖
圖示要素與實驗證據對照
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機理圖示要素 |
對應實驗結果 |
文獻依據 |
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三維多孔骨架 |
Fig.3 SEM顯示蜂窩狀結構 |
"孔隙率83%促進波阻抗匹配" |
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NRGO片層褶皺 |
Fig.4 HRTEM觀察層間距 |
0.34nm層間距增強介電響應 |
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Co?O?納米顆粒 |
Fig.4(d)暗場像亮斑分布 |
5-10nm顆粒錨定在RGO網絡 |
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界面極化箭頭 |
Fig.6(e) Cole-Cole多重弧 |
弛豫時間τ=10<sup>-9</sup>s |
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渦流損耗路徑 |
Fig.6(f) μ''>0頻段 |
C<sub>0</sub>=μ''(μ')<sup>-2</sup>f<sup>-1</sup>≈常數 |
三、協同機制創新性解析
一級耗散層（阻抗匹配）
· 多孔氣凝膠的階梯式阻抗漸變（空氣→RGO→Co?O?）
· 證據：Fig.6(i-l)中S3的紅色匹配區域面積占比達78%
二級耗散層（多重損耗）
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損耗類型 |
物理過程 |
性能貢獻 |
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界面極化損耗 |
Co?O?-RGO異質界面電荷累積 |
主導低頻段吸收（2-8GHz） |
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偶極子極化損耗 |
氮摻雜位點(N-Q, N-6) |
提升tanδ至0.42（12GHz） |
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電導損耗 |
NRGO三維導電網絡 |
決定高頻損耗斜率 |
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磁共振損耗 |
Co?O?磁矩進動 |
補充8-12GHz損耗能力 |
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圖8. 典型雷達散射截面（RCS）仿真曲線（a）；CST遠場仿真結果：裸PEC導體（b）、S1覆蓋（c）、S2覆蓋（d）、S3覆蓋（e）、S4覆蓋（f）的雷達散射云圖；PEC（g）及S1覆蓋（h）、S2覆蓋（i）、S3覆蓋（j）、S4覆蓋（k）的360°方位角RCS值分布
解讀：
該圖通過多維度電磁仿真驗證材料工程實用性：
定量對比（圖a）→ S3的RCS減縮量比S1高29.2dB
三維可視化（圖b-f）→ 展示表面電流耗散機制（對照圖7機理）
戰場適應性（圖g-k）→ 證明S3在任意雷達入射角均滿足隱身要求
最終結論：NRGO/Co?O?氣凝膠（S3）使PEC導體RCS從18.6dBm²降至-41.5dBm²，減縮量60.1dB，達到軍用隱身材料標準（RCS<-10dBm²）。
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圖9. NRGO/Co?O?復合氣凝膠與已有研究的微波吸收性能對比雷達圖
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圖10. S3樣品的應力-應變曲線（a）；壓縮測試前（b）、測試中（c）、測試后（d）的典型數碼照片
核心數據與工程意義
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參數 |
測試值 |
文獻對比 |
工程價值 |
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彈性模量 |
4.8 MPa（初始線性區） |
比石墨烯氣凝膠高220% |
抗飛行器氣動載荷 |
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抗壓強度 |
0.62 MPa（應變50%） |
超文獻均值（0.28MPa） |
支撐機載設備安裝 |
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最大形變量 |
80%（無結構坍塌） |
突破碳基材料極限（60%） |
抗極端沖擊能力 |
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回彈恢復率 |
94%（圖d恢復后高度） |
比CNT氣凝膠高18% |
重復使用穩定性 |
圖像解析關鍵點：
圖c：壓縮中側壁出現45°剪切帶（箭頭標注）→ 能量耗散機制
圖d：卸載后表面無裂紋 → 三維網絡韌性支撐
本文通過溶劑熱反應、高溫煅燒和水熱自組裝三步法成功合成了氮摻雜還原氧化石墨烯/三氧化二鈷（NRGO/Co3O4）復合氣凝膠。所制備的NRGO/Co3O4復合氣凝膠具有獨特的三維多孔網絡結構、極低的體積密度和良好的壓縮恢復性能。通過調節Co3O4的添加量，可以顯著提高NRGO氣凝膠的微波吸收性能。當Co3O4的添加量為15 mg時，所制備的NRGO/Co3O4復合氣凝膠表現出最佳的微波吸收性能，RLmin值可達-62.78 dB，最大EAB可達6.32 GHz（在15 wt.%的填充比下）。此外，通過RCS模擬驗證了其良好的雷達波衰減能力。因此，本文為制備新型基于RGO的三維介電損耗微波吸收材料提供了一種新的簡單策略。https://doi.org/10.1016/i.jmst.2024.01.006（doi:10.1016/j.jmst.2024.01.006）
轉自《石墨烯研究》公眾號
