目前，对于石墨烯的吸波材料已有许多相关报道，其中大部分石墨烯采用化学氧化还原法制备，化学还原氧化方法制得的石墨烯（r-GO）中残留大量的缺陷和氧化基团，这些缺陷以及残留的官能团不仅能提高石墨烯的阻抗匹配，而且还能产生各种极化弛豫，有利于电磁波在其中的穿透和吸收。与石墨、碳纳米管和机械剥离的优质石墨烯相比，化学还原氧化石墨烯表现出了更强的微波吸收，显示出作为吸波材料的巨大前景。
　　微波吸收材料因其在工业、商业、军事等电子仪器领域的应用前景而备受关注，根据其吸收机理主要可分为以铁氧体、镍、钴等为代表的磁损耗材料，以及以碳黑、碳纤维、碳纳米管和导电聚合物等为代表的介电损耗材料（虽然碳纳米管本身的吸波能力很弱，但已有的研究表明碳纳米管与磁性材料复合后具有优异的吸波性能）。r-GO作为一种新型的碳材料，也具有碳材料通常具有的介电损耗特性，可能是一种潜在的微波吸收材料。虽然已有的研究表明r-GO可以作为电磁界面屏蔽材料，但是关于r-GO的电磁波吸收性能的研究很少，因此r-GO的电磁波吸收能力研究值得关注。传统的观点认为，r-GO中的残余缺陷和基团会降低器件的性能，然而通过试验研究发现：残余缺陷和基团可能有利于电磁波的吸收，这也是r-Go的物理应用最值得关注和有价值的探索。
　　基于此，开展了相关试验工作，首先用改进的Hummers法由石墨粉合成氧化石墨GO，然后用肼还原制备r-GO。由于Maxwell–Wagner极化效应，石墨的介电常数实部和虚部随频率从2GHz开始增加，分别在2.5GHz和4GHz达到峰值，如图1（a）所示。随后，介电常数随频率的增加而减小，表现出明显的频率依赖性介电响应。这可能是由于在高频下感应电荷跟随反向外场而滞后，最终导致电子振荡减少。石墨的两个介电常数峰值表明一种共振行为，这通常是由于材料的高导电性引起。
　　强氧化后，石墨中以sp2键结合的网络被强烈破坏，其中很大一部分碳网络上的键被羟基、环氧、羧基和羰基代替。由于GO既不导电也没有磁性，它的电导率和磁导率未进行测试。对于r-GO，由于还原后存在残余基团和缺陷（如碳原子缺失和片状波纹），无法完全恢复其完美的六方石墨烯骨架， r-GO的电导率会比石墨要低，因此r-GO介电常数与频率相关曲线的共振峰消失。根据自由电子理论，低电导率将导致低介电常数，所以r-GO的电导率和介电常数较低，并且随着频率的增加，其介电常数与石墨相比略有降低。图1（b）给出了石墨和r-GO的磁导率实部和虚部，由于弱磁特性，两者的磁导率都非常低，特别是石墨在4～18GHz范围内变化不大，其中r-GO的比石墨大，比石墨小。

　　图2给出了在相同厚度条件下石墨和r-GO的吸波能力，可以明显看出r-GO的吸波能力要明显强于石墨。总的来说，复合介电常数和磁导率的实部可以表明其电磁波储存的能力，虚部代表的则是电磁波能量的损耗能力。由于两者的磁性都比较弱，影响它们吸波能力的主要是介电常数，因此下面将主要阐述与石墨相比r-GO为什么在较低介电常数虚部的情况下，却表现出明显较强的电磁衰减。
首先，已有报道表明，除了介质损耗和磁损耗外，微波吸收的另一个重要概念是阻抗匹配特性，吸收介质过高的介电常数对阻抗匹配不利，导致强反射和弱吸收。这是r-GO介电常数比石墨低却具有较强微波吸收的原因之一。
　　其次，微波带的能量跃迁涉及到电子自旋，这意味着微波吸收需要更多的自旋态。已有文献表明，通过引入晶格缺陷可以产生相邻费米能级的稳态，当入射到吸收体表面时，电磁能可从相邻态跃迁到费米能级。因此，在附近存在的缺陷是在电磁能量吸收的青睐，它的另一个原因是基体具有更好的吸收能力。
　　第三，弛豫过程是介电损耗材料吸收电磁波的一个重要机制。根据德拜弛豫表达式，复介电常数可以写成：

　　静态静电常数和极限频率条件下介电常数。在这种条件下，和的关系曲线通常呈半圆形曲线，这样的曲线称为Cole-Cole半圆。图3给出了石墨和r-GO的和关系特性曲线，石墨仅呈现出一个明显的Cole-Cole半圆，而r-GO则有三个交替的Cole-Cole半圆特性。每个Cole-Cole半圆对应一个德拜弛豫过程，这就表明石墨有一个弛豫过程而r-GO有三个弛豫过程。

图3  2-18GHz频率范围和关系Cole-Cole半圆（a为石墨，b为r-GO）

　　石墨唯一的弛豫过程可能如下：交变电磁场作用下，感应电荷滞后于外加场的作用导致了弛豫现象的产生，并使得电磁能量转化为热能从而实现微波衰减。由于导电石墨内部存在大量的自由电子，因此其介电弛豫过程明显呈现出较大的Cole-Cole半圆，如图3（a）所示。因此，介电弛豫是石墨吸收微波的主要原因。
　　r-GO的制备特点使得其内部仍残留一些缺陷和官能团。r-GO内部碳原子框架部分被重构，由于石墨烯晶格存在破坏的现象，因此其通过感应电荷的滞后引起的介电弛豫过程没有石墨那么明显，相应的Cole-Cole半圆特征曲线相对较小。r-GO的另外两个弛豫过程很明显是由缺陷和官能团引起的，首先，缺陷可以起到极化中心的作用，在电磁场的作用下产生极化弛豫并衰减电磁波，从而对微波损耗产生显著效果；其次，r-GO残余有C-O、C=O等含氧的化学键，碳原子与氧原子捕获自由电子能力的不同导致电偶极子极化（而这种偶极子极化则不存在于石墨中），在交变电磁场作用下，这些偶极子中电子运动滞后会引起附加极化弛豫过程，有利于提高微波吸收能力。
　　最后，比较一下r-GO、高品质石墨烯和碳纳米管（CNTs）之间的微波吸收能力。通过机械剥离方法制成的高品质石墨烯具有更少的缺陷和化学官能团，显然比r-GO的导电性更好。如上所述，高导电性通常伴随着高介电常数，根据阻抗匹配特性这对微波吸收是不利的。因此，虽然由于高品质石墨烯的低产量我们不能真正测试其微波吸收能力，但是不难理解内部较少的缺陷和官能团使得高品质石墨烯的吸波性能比r-GO要弱。此外，以往的研究表明碳纳米管的微波吸收能力不强，通常不会低于-2dB，而碳纳米管和磁性金属（Fe、Co和Ni等）的复合材料则表现出很强的微波吸收能力。本研究制备的r-GO在7GHz波段的微波吸收强度高达-6.9dB，这显然比报道的碳纳米管吸波作用明显，所以可以预测r-GO/磁性金属复合材料将会体现更优异的微波吸收性能，进一步的实验正在进行中。
　　总的来说，石墨只有一个介电弛豫过程，且阻抗匹配特性较差，导致其微波吸收能力较弱。然而，r-GO内部残留的缺陷和官能团不仅能改善阻抗匹配特性，还会引起相邻稳态到费米能级的跃迁、缺陷的极化弛豫和官能团的电子偶极极化弛豫，这些都有利于电磁波传输和吸收。

文献来源：https://doi.org/10.1063/1.3555436

来源：OIL实验室