《Journal of Non-Crystalline Solids》：Emulsification-engineered C/rGO aerogels for ultrabroadband electromagnetic wave absorption
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新型碳/石墨烯氧化物气凝胶通过高速乳化法精确调控多孔结构，实现电磁波反射损耗最低-28.10 dB，有效吸收带宽6.3 GHz，协同导电损耗与介电损耗机制显著提升吸波性能。
李俊|叶海刚|王云|常继新|任希尧|沈新辉|金家豪|高杰|孟向新|徐乐文
河南工程学院材料工程学院，纤维制备与改性工程技术研究中心，河南工程学院，郑州450007，中国
摘要
电磁干扰的普遍增加迫切需要开发先进、轻质且可持续的吸波材料。本文报道了一种创新且可扩展的策略，用于制备高性能的羧甲基纤维素衍生的碳/还原氧化石墨烯（C/rGO）气凝胶。该策略采用了一种快速孔隙工程方法，精确控制高速乳化过程以定制内部多孔结构。优化的C/rGO-12000气凝胶表现出出色的电磁波吸收性能，最小反射损失（RLmin）为-28.10 dB，在2.2 mm波长下有效吸收带宽（EAB）达到6.3 GHz。CST仿真进一步证实了其优异的雷达隐身能力，最大RCS降低值为22.02 dBm23）同时增强了多次反射和散射，促进了能量耗散。这项工作提出了一种简单而强大的方法，可用于设计下一代微波吸收器，具有显著的商业潜力。
引言
随着技术的进步，电子产品迅速发展，已成为城市生活中不可或缺的一部分。智能手机、无线网络和家用电器等设备的无限制使用产生了大量的电磁辐射和干扰，导致严重的电磁污染，对生态环境和人类健康构成威胁[1,2]。这种电磁污染现已成为继水污染、空气污染和噪音污染之后的第四大污染形式。在吉赫兹微波频段内，移动电话、局域网和雷达系统等应用的日益普及加剧了电磁污染，危及人类健康并造成严重的生态破坏。使用吸波材料是防止电磁污染、实现雷达隐身能力和确保电磁兼容性的有效手段[3,4]，这也是本研究的核心重点。
在各种材料选择中，纤维素气凝胶是一类源自纤维素（一种存在于植物细胞壁中的天然聚合物）的气凝胶[5]。由于其可再生、可生物降解、轻质且成本效益高的固有优势，它们备受青睐[6]。由于其独特的3D多孔结构，纤维素气凝胶被认为是理想的电磁波吸收材料。这种结构优化了阻抗匹配，使电磁波能够进入材料并在复杂的多孔壁内发生多次反射，从而显著延长传播路径，增强能量耗散[7]。然而，原始纤维素气凝胶通常需要引入吸收颗粒来诱导损耗；其固有的低电导率常常导致阻抗不匹配[[8], [9], [10]]。为了解决这个问题，通过高温碳化制备的碳纤维气凝胶显示出更优的潜力[11]。与原始材料不同，这些碳纤维气凝胶形成了富含缺陷的3D导电网络。这种转变使得导电损耗和极化损耗之间产生了强烈的协同效应，从而实现了优异的吸收性能，这也是本研究中采用碳化策略的主要原因[12]。
纯碳纤维气凝胶相对较低的介电损耗能力有时会限制电磁波能量的有效耗散。尽管多孔结构在一定程度上优化了阻抗匹配，但仅由碳骨架产生的损耗往往不足，从而限制了整体吸收效率[13]。因此，将具有优异电导率的纳米材料（特别是还原氧化石墨烯（rGO）掺入碳纤维气凝胶基质中，已成为通过构建高效3D导电网络来增强介电损耗和优化阻抗匹配的关键策略[[14], [15], [16]]。将rGO均匀分散在纤维素基质中不仅显著提高了复合材料的电导率，还引入了多种异质界面[17]。在交变电磁场下，这些界面会产生强烈的界面极化，从而大大增强电磁波能量的耗散[18]。这种复合策略有效弥补了纯碳骨架的固有导电缺陷。
本研究强调，核心瓶颈不仅在于引入导电组分，还在于精确设计多孔结构，以确保连续的导电网络并实现最佳阻抗匹配。传统的结构控制方法（如复杂的化学蚀刻[19,20]或模板法[21,22]）往往复杂且耗能较大。此外，这些方法缺乏防止孔隙塌陷或在最终碳纤维气凝胶中实现均匀孔隙分布所需的可扩展性和结构保真度。
为了克服传统方法的这些结构限制，并解决高介电损耗与最佳阻抗匹配之间的微妙平衡，本文引入了一种创新且可扩展的孔隙工程策略：高速机械乳化工艺。该工艺的核心创新在于利用机械剪切力精确控制羧甲基纤维素/氧化石墨烯（CMC/GO）水凝胶中气泡的大小分布和稳定性。这种方法具有几个显著优势：首先，它确保了CMC和GO组分的均匀分散，为电磁波响应提供了均匀的基础；其次，通过优化乳化速率，可以可靠地定制内部结构，形成均匀稳定的蜂窝骨架。这种结构在碳化过程中得以保留，对于提高结构完整性、最小化孔隙塌陷以及确保连续3D导电网络的形成至关重要[23,24]。最终，通过机械方法实现的精确结构调控有效平衡了材料的介电损耗和阻抗匹配，有望实现优异的电磁波吸收性能。
实验部分
材料
羧甲基纤维素（CMC）购自天津科茂化学试剂有限公司；氧化石墨烯（GO，片径0.2～10.0 μm，纯度>99%）购自苏州碳财富石墨烯科技有限公司。所有材料均按原样使用。
C/rGO气凝胶的制备
通常，将5 g CMC、0.01 g GO和120 mL蒸馏水加入烧杯中，在55°C下机械搅拌30分钟，获得均匀的CMC/GO混合物。然后对制备好的CMC/GO混合物进行处理...
形态与结构特性
C/rGO气凝胶的制备包括冷冻干燥、预氧化和高温碳化过程，如图1a所示。将GO粉末嵌入CMC模板中，然后进行冷冻干燥，生成CMC/GO气凝胶。随后，气凝胶经过高温碳化，分解有机成分，留下碳骨架，形成3D多孔碳气凝胶（C/rGO）。
SEM图像（图1b-f）清晰地展示了CMC/GO气凝胶的3D多孔网络特性...
结论
本研究通过结合冷冻干燥、高温热解和创新的高速乳化技术，成功制备出了具有高效电磁波吸收能力的C/rGO复合气凝胶。具体而言，高速乳化被证明是一种有效的策略，能够快速工程化孔隙结构，从而显著提升微波吸收性能。
数据可用性
数据可应要求提供。
作者贡献声明
李俊：撰写——初稿、方法论、概念设计。
叶海刚：方法论、数据分析。
王云：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
常继新：软件开发、数据管理。
任希尧：数据管理。
沈新辉：数据可视化、数据管理。
金家豪：数据可视化、方法论。
高杰：软件开发。
孟向新：数据管理。
徐乐文：数据可视化、软件开发。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了中国国家大学生创新创业培训计划（编号202411517030、202511517003）以及河南工程学院开放实验室项目的资助。
