山东理工大学张学谦课题组本科生：石墨烯/铁氧体纳米复合材料在微波吸收中的应用综述

近日，山东理工大学张学谦课题组2022级本科生梁文艳以第一作者身份在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》上以“Review of Graphene/Ferrite Nanocomposites for Microwave Absorption”为题发表综述，该综述系统总结了石墨烯/铁氧体纳米复合材料在电磁波吸收领域的最新研究进展、结构设计策略、多重损耗机制及其未来的发展趋势。山东理工大学为论文第一单位，课题组的张学谦、王依山老师以及哈尔滨工业大学黄小萧老师为论文共同通讯作者，25级研究生栗森、23级研究生张旭纪为共同一作。

https://doi.org/10.1002/adem.202503169

研究背景

随着电子设备的广泛使用和5G通信技术的快速部署，电磁波（EMW）污染不仅干扰了设备的正常运行，还对生态环境和人体健康构成了潜在威胁。开发具备“薄、轻、宽、强”（厚度薄、密度小、频带宽、吸收强）特性的高性能吸波材料成为当前面临的严峻挑战。石墨烯因其极高的电导率、轻质和特殊的二维结构，在介电损耗方面表现优异；而铁氧体（如钡、镍锌、钴铁氧体等）则具备高磁导率和低磁损耗的优势。将单一电损耗的石墨烯与磁损耗的铁氧体相结合，构建多重损耗机制并优化阻抗匹配，已成为吸波材料领域的前沿热点。如图1所示，本文全面介绍覆盖了石墨烯与各类典型铁氧体（钡铁氧体、镍锌铁氧体和钴铁氧体）的复合体系，并探讨了其在军事、航空航天、通信及生物医学等众多领域的应用潜力。复合材料优异的吸波性能主要归功于电导损耗、磁损耗以及由异质界面带来的界面极化和多重反射散射等协同机制。

图1 .石墨烯/铁氧体纳米复合材料综述的内容组织结构图

石墨烯/钡铁氧体复合材料

钡铁氧体（BaFe₁₂O₁₉）作为一种典型的磁铅石型六方晶系铁氧体，具有极高的磁晶各向异性、大矫顽力和饱和磁化强度，且理化性质稳定，在吸波领域备受青睐。为了克服单一铁氧体密度大和介电损耗低的局限性，研究人员通过多种策略将其与石墨烯复合。例如，通过水浴法制备的石墨烯/BaFe₁₂O₁₉/Fe₃O₄复合材料，利用碳纤维上规则排列的Fe₃O₄纳米颗粒形成内部孔隙，在保持合理饱和残余磁化的同时，实现了高达5 GHz的有效带宽和-40 dB的最小反射损耗。此外，冷冻干燥技术被用于将二维石墨烯转化为三维气凝胶，制备出的石墨烯气凝胶/钡铁氧体纳米复合材料不仅展现出更高的矫顽力，还在12.1 GHz匹配频率下实现了优异的吸波性能。特别值得一提的是，如图2(c)的制备路线所示，研究人员通过溶胶-凝胶法和阳离子/阴离子混合表面活性剂的作用，成功合成了具有介孔结构的钡铁氧体，并将其与氮掺杂还原氧化石墨烯进行原位水热复合（N-RGO/BaM）。结合图2(f)的微观形貌可以看出，这种独特的介孔结构不仅为还原剂提供了通道以生成部分Fe²⁺和Fe₃O₄，还有效降低了材料整体密度，极大增强了电磁波在材料内部的多重反射与界面极化。最终，如图2(g)的三维反射损耗图所示，该复合材料在仅1.4 mm的超薄厚度下实现了-62.6 dB的惊人最小反射损耗，有效吸收带宽达4.2 GHz，完美展现了“薄、轻、宽、强”的理想吸波特性。

图2. N-RGO/BaM 复合材料的制备路线、微观形貌及三维反射损耗图

石墨烯/镍锌铁氧体复合材料

镍锌铁氧体（Ni_xZn_1-xFe₂O₄）是一种具有尖晶石结构的高频软磁铁氧体，以其低磁导率、细小粒径、多孔结构以及高频宽带、高阻抗和低损耗等优异特性，成为软磁材料中的研究热点。在与石墨烯的复合研究中，如图3(a)的合成工艺所示，研究人员采用溶剂热与水热两步法，成功将合成的镍锌铁氧体微球均匀锚定在还原氧化石墨烯片层上，制备出NRGO/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄复合材料。从图3(d)的多重损耗机制示意图可以发现，该材料凭借引入微球后增强的极化弛豫以及缺陷极化，实现了磁损耗、电导损耗和介电损耗机制的完美协同。图3(c)和(e)的电磁波吸收测试曲线进一步证实，该复合材料在2.91 mm厚度下最小反射损耗高达-63.2 dB；尤其在2.0 mm的薄厚度下，其有效吸收带宽拓展至5.4 GHz，同时维持了57.7 emu/g的高饱和磁化强度。除此之外，研究界还探索了引入导电聚合物的三元复合体系，例如通过原位聚合制备的还原氧化石墨烯/钴掺杂锌镍铁氧体/聚苯胺复合材料取得了-27.2 dB的反射损耗。另外，利用溶胶-凝胶法制备的复合气凝胶对比研究进一步证实，当石墨烯与铁氧体的体积比严格控制在2:1时，材料的电损耗和磁损耗参数能够达到最佳匹配状态，从而最大程度地降低了表面反射。为大规模制备具有多级结构的高效宽频吸波材料提供了重要的数据支撑。

图3. NRGO/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄复合材料的合成工艺及多重损耗机制示意图

石墨烯/钴铁氧体复合体系

钴铁氧体（CoFe₂O₄）作为一种典型的尖晶石型硬磁材料，不仅具有适中的磁化强度和高各向异性常数，还具备极高的电阻率和优异的介电性能，是提升电磁波吸收性能的理想候选者。为了充分激发其与石墨烯的协同优势，研究人员开发了多种创新性的微观结构设计与化学合成路线。例如，通过酯化和酰胺化反应引入酰胺键制备的CoFe₂O₄/石墨烯纳米复合材料，不仅大幅增强了磁性纳米颗粒与石墨烯二维片层间的界面结合力，酰胺键还作为稳定的载流子通道显著提升了电子迁移率。该材料在1.7 mm厚度下最小反射损耗达到-55.2 dB，有效带宽达5.4 GHz，并表现出典型的无矫顽力超顺磁特征。在三维宏观结构设计方面，如图4(a)的制备流程所示，通过溶剂热与低温冷冻干燥技术相结合，研究人员成功构建了具有独特三维网络结构的氮掺杂还原氧化石墨烯/空心钴铁氧体复合气凝胶（NRGO/hollow CoFe₂O₄）。通过图4(b)的SEM形貌观察可知，具备内空腔结构的钴铁氧体微球被牢固地锚定在石墨烯的褶皱表面。结合图4(e)的微波衰减机制揭示，这种三维多孔网络与磁性空心球的强强联合，不仅提供了丰富的偶极子极化中心，更极大地延长了电磁波在材料内部的传播路径，增强了多重反射与散射。最终，如图4(d)的数据柱状图所示，该气凝胶在1.8 mm的匹配厚度下实现了-44.7 dB的反射损耗和5.2 GHz的最大吸收带宽。此外，钴铁氧体还可以与钇铁石榴石形成三元纳米体系或以聚吡咯为基体构筑导电网络，这些多维度策略为设计下一代轻质、强吸收的电磁屏蔽材料开辟了广阔前景。

图4. NRGO/hollow CoFe₂O₄复合气凝胶的制备流程及基于三维多孔网络的微波衰减机制

总结与展望

石墨烯与铁氧体纳米复合材料通过组分调控与微观结构设计（如介孔、核壳、三维气凝胶等），成功打破了单一组分在阻抗匹配和吸收频带上的物理局限。目前该领域在实验室规模已取得显著突破，但要实现商业化与工程化应用，仍需进一步明确纳米尺度下介电与磁性耦合的多重损耗协同机制，开发低成本且可抑制纳米颗粒团聚的规模化制备工艺，并积极探索其在航空航天防腐涂层、新能源汽车等复杂极端环境下的多功能集成表现。