核壳石墨烯 @金刚石异质结构实现优异电磁波吸收与高导热性能

背景介绍

高度集成小型化电子系统对散热与电磁干扰抑制提出双重需求。金刚石导热性能优异，但阻抗匹配差，吸波能力不足；石墨烯具备良好介电损耗，物理共混易界面耦合差、热阻高。传统方案难以兼顾高导热与高效电磁波吸收，亟需通过异质界面工程开发一体化多功能填料。

研究成果

近日，宁波材料所王跃忠研究员、天津津航物理技术研究所刘华松研究员、北京理工大学（珠海）崔玉平研究员团队联合攻关，提出碳同素异形体互补耦合的结构调控策略。利用液态金属辅助退火工艺，在金刚石颗粒表面原位生长垂直取向石墨烯壳层，制备界面杂化可调的核壳石墨烯 @金刚石 (G@D) 异质填料。通过调控退火时长，石墨烯由离散畴区演变为连续壳层，构建连续 sp² 导电网络与丰富异质界面。最优 G@D‑2 样品最小反射损失‑42.89 dB，有效吸收带宽 4.43 GHz；填充该填料的 PDMS 复合材料垂直导热系数达 25.99 W·m⁻¹·K⁻¹，是物理共混体系的 7.5 倍。材料依靠导电损耗、界面极化、多重散射协同实现吸波，连续界面热通路抑制声子散射提升导热。该工作突破传统材料吸波‑导热此消彼长的瓶颈，为大功率电子、先进封装多功能材料提供新范式，相关成果以《Excellent electromagnetic wave absorption and high thermal conductivity enabled by core‑shell graphene@diamond heterostructures》发表于 《Carbon》。

链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121854

图文速览

图1. 核壳 G@D 填料制备流程示意图。

图2. 各样品形貌与组分表征。(a) D0、(b) D0‑2、(c) G@D‑0.5、(d) G@D‑1、(e) G@D‑1.5、(f) G@D‑2 的扫描电镜图像、元素面分布与能谱图；白色虚线框标记未发生石墨烯生长的区域。

图3. 样品的结构演变表征。(a) 拉曼光谱；(b) I_D/I_G比值；(c) I_2D/I_G比值与 2D 峰半高宽；(d,e) X 射线衍射谱图；(f) 金刚石 (111) 衍射峰半高宽；(g) XPS 全谱；(h,i) C 1s 高分辨谱；(j‑l) 高分辨透射电镜图像。

图4. D0、G@D‑1、G@D‑2 的电磁波吸收性能。(a‑c) 三维反射损失图；(d‑f) 二维有效吸收带宽图谱；(g‑i) 基于四分之一波长模型，匹配厚度与匹配频率的对应关系。

图5. D0、G@D‑1、G@D‑2 的阻抗匹配与衰减特性。(a) |Z_in/Z₀|；(b) 衰减常数 α。

图6. 电磁参数与吸波机理示意图。(a) 复磁导率实部、虚部；(b) 复介电常数实部、虚部；(c) 电导率；(d) 介电损耗正切；(e) 极化损耗与电导损耗拆分；(f) Cole‑Cole 曲线；(g) 电磁波吸收机理原理示意图。

图7. 复合材料热输运性能与结构特征。(a) D0/PDMS、G@D‑1/PDMS、G@D‑2/PDMS 复合材料垂直导热系数；(b) 对应复合材料截面扫描电镜图；(c) 填料接触模式演变示意图。

图8. 本工作与已报道代表性功能材料的电磁波吸收性能与导热性能对比。