Preparation and Microwave Absorption Properties of Graphene/Pure Ferrite Composite Absorbers

In der uns umgebenden unsichtbaren Welt tragen Radiowellen und Mikrowellen unsere Mobiltelefonate, Wi-Fi-Signale und Radardaten. Während wir auf diese Wellen angewiesen sind, um uns zu vernetzen, können sie auch eine Unannehmlichkeit oder eine Gefahr darstellen, wenn sie von Oberflächen abprallen und Interferenzen erzeugen oder wenn sie den Standort sensibler Ausrüstung offenlegen. Um dies zu bewältigen, entwickeln Wissenschaftler spezielle Materialien, die darauf ausgelegt sind, diese Wellen zu „verschlucken“, anstatt sie zurückprallen zu lassen. Die effektivsten Materialien müssen oft zwei konkurrierende Eigenschaften in Einklang bringen: die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, und die Fähigkeit, mit Magnetfeldern zu interagieren. Kohlenstoffbasierte Materialien eignen sich hervorragend dazu, Elektrizität zu leiten und Wellen durch elektrische Reibung zu absorbieren, aber sie reflektieren oft zu viel Energie an der Oberfläche, bevor sie absorbiert werden kann. Magnetische Materialien hingegen sind großartig darin, Energie durch magnetische Wechselwirkungen aufzusaugen, sind aber oft schwer und lassen die elektrische Leitfähigkeit vermissen, die für ein breites Spektrum an Frequenzen erforderlich ist. Die Herausforderung besteht darin, diese beiden Arten von Materialien zu einem einzigen, leichten Stoff zu kombinieren, der eine Vielzahl von Wellenfrequenzen bewältigen kann, ohne sie wegzureflektieren.

Forscher am Liaoning Institute of Science and Technology in China haben einen Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem sie ein neues Typus von Verbundwerkstoff entwickelt haben, der Graphen mit reinem Ferrit mischt. Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzelnen Atomschicht besteht und für seine Stärke und elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Ferrit ist eine Art magnetischer Keramikwerkstoff, der stark mit Magnetfeldern interagiert. Das Team wandte ein Verfahren namens Hydrothermalsynthese an, bei dem eine Mischung aus Wasser und Chemikalien in einem versiegelten Behälter erhitzt wird, um das Material wachsen zu lassen. Sie mischten Graphen mit Ferrit in verschiedenen Proportionen, um zu sehen, wie das Gleichgewicht zwischen den beiden Komponenten die Absorptionsfähigkeit des Materials gegenüber Mikrowellen beeinflusst. Das Ziel war es, ein spezifisches Rezept zu finden, bei dem die elektrischen Eigenschaften des Graphens und die magnetischen Eigenschaften des Ferrits perfekt zusammenarbeiten, sodass die Wellen in das Material eindringen und darin gefangen werden können, anstatt von der Oberfläche abzuprallen.

Das Team erstellte sechs verschiedene Proben, die von überwiegend Graphen bis hin zu überwiegend Ferrit reichten. Sie untersuchten die Mikrostruktur dieser Proben und fanden heraus, dass sich die Ferritpartikel, welche winzige Kugeln mit einer Größe zwischen 0,1 und 0,5 [Einheiten] sind, gleichmäßig auf den zerknitterten Oberflächen der Graphenblätter absetzten. Diese Anordnung verhinderte, dass die Graphenblätter verklumpten, und schuf ein weitreichendes Netzwerk von Grenzflächen, an denen die beiden Materialien aufeinandertreffen. Diese Grenzflächen sind entscheidend, da sie als Stellen fungieren, an denen elektrische Ladungen akkumulieren und Energie als Wärme freisetzen können. Während die Forscher die Menge an Ferrit in der Mischung erhöhten, nahm die Fähigkeit des Materials, mit Magnetfeldern zu interagieren, stärker zu, während die elektrische Leitfähigkeit leicht abnahm. Diese Verschiebung war genau das, was nötig war, um die Gesamtleistung des Materials zu verbessern.

Als die Forscher testeten, wie gut diese Materialien Mikrowellen absorbieren, entdeckten sie, dass die Probe mit dem höchsten Ferritanteil am besten abschnitt. Diese spezifische Mischung, die aus einem Teil Graphen zu drei Teilen Ferrit besteht, erreichte ihre Spitzenleistung bei einer Dicke von 3 Millimetern. Bei einer Frequenz von 11,8 Gigahertz absorbierte diese Probe so viel Energie, dass nur ein winziger Bruchteil der Welle reflektiert wurde, was einen Reflexionsverlust von –23,8 Dezibel ergab. Um dies in Perspektive zu setzen: Ein Reflexionsverlust von –10 Dezibel ist der Standardmaßstab für einen guten Absorber, was bedeutet, dass er 90 Prozent der einfallenden Welle aufsaugt. Dieses neue Material übertraf diesen Standard bei weitem und absorbierte mehr als 99 Prozent der Welle bei seiner Spitzenfrequenz. Darüber hinaus behielt es dieses hohe Absorptionsniveau über einen breiten Frequenzbereich bei, der eine Spanne von 3,7 Gigahertz abdeckt, was eine signifikante Breite für ein einzelnes Material darstellt.

Der Erfolg dieses Materials beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen der Art und Weise, wie es mit Elektrizität und Magnetismus umgeht. Das Graphen bietet einen Pfad für elektrische Ströme, wodurch Reibung entsteht, die Wellenenergie in Wärme umwandelt. Die Ferritpartikel interagieren mit dem magnetischen Teil der Welle, was eine andere Art von Reibung erzeugt, die ebenfalls Wärme generiert. Wenn diese beiden Mechanismen zusammenwirken, ermöglichen sie es der Welle, leicht in das Material einzudringen und ihre Energie schnell abzuführen, während sie sich hindurchbewegt. Die Forscher beobachteten, dass auch die Defekte und Unvollkommenheiten auf der Oberfläche von Graphen und Ferrit eine Rolle spielten, indem sie als zusätzliche Fallen für die Wellen dienten. Durch die sorgfältige Abstimmung des Verhältnisses der beiden Inhaltsstoffe gelang es dem Team, ein Material zu schaffen, das sowohl leicht als auch hocheffizient ist und einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung besserer Tarnbeschichtungen und elektromagnetischer Abschirmungen bietet.