由于碳材料具有優(yōu)異的介電性能、良好的復合特性、特殊的微觀(guān)結構、較低的比重、較強的化學(xué)穩定性以及使用便捷、維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在雷達吸波領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景，已逐漸成為學(xué)界與工業(yè)界所追逐的熱點(diǎn)研究對象與應用方向。但單一碳材料介電常數較大，不利于阻抗匹配，導致其吸波性能較差，而且作為納米材料，碳材料之間的團聚程度高，難以均勻分散在基體當中。通過(guò)制備碳基復合材料來(lái)調節其電磁參數，提高阻抗匹配程度并改善分散性，有望獲得輕質(zhì)、高效的吸波材料。在最近三年的時(shí)間內，國內科學(xué)家們針對上述問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作，下面就一起來(lái)回顧與總結碳基吸波材料的最新研究進(jìn)展。
1.石墨烯基復合吸波材料
石墨烯是以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維材料，由于其獨一無(wú)二的結構，石墨烯有一系列突出的物理和化學(xué)特性，比如高的電導率、熱穩定性、耐腐蝕性、大的比表面積、高的機械強度和卓越的光學(xué)性能。這些特性使石墨烯成為很有前景的吸波材料。通過(guò)氧化還原法制備成的還原氧化石墨烯具有大量的缺陷和殘留的官能團使石墨烯的電導率降低，同時(shí)這些缺陷和官能團的出現可以產(chǎn)生費米能級的局域化態(tài)，有利于電磁波的吸收和衰減。且還原氧化石墨烯基的復合材料具有三維分層結構，易實(shí)現電子傳輸，具有強烈的極化損耗。但是其本身較大的介電常數，對電磁波的損耗產(chǎn)生了不利的影響，降低了阻抗匹配程度。利用其巨大的比表面積以及獨特的分子結構與其他材料相結合得到協(xié)同增強復合材料，可以改善石墨烯阻抗匹配和分散特性等問(wèn)題。
Ying Wang等[1]為了克服石墨烯阻抗匹配差和易團聚等問(wèn)題，成功制備出了基于無(wú)定形碳球（ACMs）和還原氧化石墨烯（rGO）的夾層狀石墨烯基復合材料（如圖1所示）。rGO / ACMs / rGO復合物在2.0-18.0 GHz頻率范圍內呈現出優(yōu)越的吸波特性，研究結果表明，獨特的微觀(guān)結構引起的多次反射和界面極化是微波吸收增強的原因。更重要的是，rGO / ACMs / rGO經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的高溫處理后后仍表現出良好的吸波性能。這項工作為探索高吸收且耐用的石墨烯基復合吸波材料提供了新的思路。
Fang Ye等[2]將CH3OH作為前軀體，使用簡(jiǎn)單的化學(xué)氣相沉積（CVD）法使石墨烯（ERG）直接生長(cháng)在多孔Si3N4陶瓷上，CH3OH的大O / C原子比有助于營(yíng)造溫和的氧化氣氛，形成獨特的納米平面結構，促使ERG / Si3N4復合吸收劑具有良好的阻抗匹配特性和較強的損耗能力（如圖2）。研究結果表明，此吸收劑表現出優(yōu)越的電磁波吸收性能，遠遠超過(guò)傳統CVD石墨烯和還原氧化石墨烯材料，在較少填充含量，厚度為3.75mm的條件下，可實(shí)現4.2 GHz的有效吸收帶寬，覆蓋整個(gè)X波段。
2.碳納米管基復合吸波材料
碳納米管是由碳原子的六角點(diǎn)陣二維石墨片繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫管狀結構，具有較大的比表面積、低比重、小直徑、高縱橫比、高電導率、高機械強度的一維介電損耗材料，碳納米管的吸波機理主要是其作為偶極子在電磁場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生耗散電流，在周?chē)幕w作用下，耗散電流被衰減，使得電磁波能量轉化成熱能耗散掉。因此它在吸波材料中的應用具有很大的前景。碳納米管特殊的表面效應利于改性和負載磁性金屬粒子，可以調節其阻抗匹配和分散性能。
Lei Wang等[3]通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法成功合成了包裹多壁碳納米管的空心立方體ZnSnO3復合材料（ZSO @ CNTs）（如圖3）。作者研究了不同的反應溫度下ZSO @ CNT復合材料的復介電常數特性以?xún)?yōu)化復合材料形貌來(lái)增強微波吸收性能。研究結果表明，ZSO @ CNT-130°C復合材料在13.5 GHz時(shí)，最大反射損耗可達-52.1 dB，并在厚度僅為1.6mm時(shí)，吸收帶寬可達3.9GHz。從1至5 mm調整模擬厚度，ZSO @ CNT復合材料的有效吸收帶寬（RL <-10 dB）可達到14.16 GHz（2-18 GHz的88.8％）。研究發(fā)現，優(yōu)異的微波吸收性能歸因于極化，傳導損耗和特殊空心籠結構之間的協(xié)同效應。本文提出的特殊可控結構為實(shí)現高性能微波吸收劑提供有效途徑。
圖3. ZSO @ CNTs復合材料微波損耗機制
3.多孔碳基復合吸波材料
納米多孔碳材料因其豐富的空隙、大比表面積及易于設計等特點(diǎn)在工業(yè)上展現出巨大的應用潛力，而通過(guò)調控其組成結構以獲得更優(yōu)的性能并實(shí)現制備成本的控制一直是研究的重點(diǎn)。有序介孔碳材料擁有大的表面積、高孔隙率、統一可調的孔徑大小、具有催化、吸收、分散、儲存和超級電容器的功能。有序介孔碳作為吸波材料主要的優(yōu)勢有以下兩點(diǎn)：（1）多孔結構有利于降低密度和復介電常數，導致大多數電磁波可以進(jìn)入有序介孔碳；（2）有序和平行的孔壁引起電磁波散射，進(jìn)一步增加了對電磁波的吸收。但是，有序介孔碳是一個(gè)典型的介電損耗材料，沒(méi)有磁損耗，進(jìn)一步限制了其在吸波材料領(lǐng)域中的應用。
Hailong Xu等[4]采用熱解和蝕刻法合成具有獨特內部空隙和介孔殼的類(lèi)紅細胞結構-介孔碳中空微球（RBC-PCHMs）。以酚醛樹(shù)脂作為基體，填充10wt％的RBC-PCHM，當樣品厚度<2mm，溫度為300至523 K時(shí)，在X波段表現出的有效吸收帶寬（反射損耗小于-10dB）大于3GHz。極化損耗隨著(zhù)溫度的升高而降低，而導電損耗卻相反，說(shuō)明在一定溫度下有助于阻抗匹配性能的提高。研究結果表明，具有紅色血細胞樣形態(tài)的介孔碳空心球很有可能成為高效的輕質(zhì)耐高溫微波吸收劑（如圖4）。
耗和導電損耗的微波衰減控制模型
金屬有機框架(MOFs)作為一種新型的晶態(tài)多孔材料，具有組成可調、結構多樣、孔徑可控等特點(diǎn)，在催化、能量?jì)Υ婧娃D化、氣體儲存、環(huán)境修復等諸多方面受到了廣泛的關(guān)注。特別地，基于MOFs的結構與組成，其常被用作制備各種形式的納米多孔碳材料以及新的多功能碳基復合材料的通用前體，與單個(gè)組件組裝的復合材料相比，它往往表現出更優(yōu)越的功能特性。
Wei Liu等[5]以Cu3(btc）2為前驅體將金屬Co納米粒子引入碳基體中來(lái)充分利用高孔隙結構制備Cu/C/Co復合吸波材料。通過(guò)改變Co的起始用量，調整最終材料的成分，可以有效的控制電磁特性。研究結果表明，改進(jìn)的等效電路模型說(shuō)明了采用多種衰減機制可以實(shí)現優(yōu)異的反射損耗性能，通過(guò)改變界面面積和電導率來(lái)優(yōu)化界面極化，可以獲得覆蓋整個(gè)X波段的復合材料且通過(guò)改善阻抗匹配和增強傳導損耗幾乎可以覆蓋整個(gè)Ku波段（12.3至18GHz，厚度為1.85mm）（如圖5所示）。綜上，本文不僅制備了高性能輕質(zhì)微波吸收材料，還為擴展MOF衍生的碳復合材料的功能性鋪平了道路。