低成本轻质纳米复合材料，优异的电磁波吸收性能！学术资讯

来源：材料科学与工程

导读：本文制备的纳米复合材料（BC/Fe3O4@C-2）在2.46 mm的匹配厚度下具有优异的电磁波吸收性能，而且这个材料具有高效、绿色、可大量生产、优异的RL、薄匹配厚度以及较宽的有效吸收频带的特点，为轻型吸波材料的未来发展提供了新的借鉴。

随着半导体产业的蓬勃发展，大量以电磁波为载体的新兴电子设备已经渗透到人们生活的各个角落，无疑，它们中的大多数都提供了极大的便利，而且还会产生不同频率的电磁辐射，并逐渐导致一系列环境和社会安全问题。电磁屏蔽和吸波材料能有效地消除电子元件干扰，减少对人体和环境的电磁辐射，这已被广泛用于衰减电磁波能量。金属是最早使用的电磁屏蔽材料，但是由于固有的高密度，易腐蚀，填充量大和成本高等不利特性，其应用受到了限制。

近年来，碳材料，包括炭黑，碳纤维，石墨烯和碳纳米管，被认为是最有潜力的候选吸波材料之一，为了获得碳质吸收材料优异的电磁波吸收性能，根据阻抗匹配和反射损耗理论，探索了两种有效的策略。首先是构造多孔，中空或泡沫的微观结构。第二个是修饰碳质吸收剂（尤其是磁性纳米颗粒）表面上的异质吸收材料，实现介电损耗和磁损耗的协同效应。尽管已经实现了一些出色的电磁波吸收性能，但是，大多数中空结构需要引入额外的模板（例如SiO2微球），制备后必须用强酸或强碱将其除去，直接导致环境污染。

针对上述问题，来自青岛科技大学的研究人员报道了通过热解-水热法合成了由生物质碳（BC）和Fe3O4@C纳米球组成的轻质电磁波吸收材料。BC/Fe3O4@C纳米复合材料在2-18 GHz的频率范围内表现出优异的反射损耗（RL），从而大大提高了纯多孔碳的电磁波吸收性能。通过调节Fe3O4的含量可以有效地提高吸收体的介电常数和磁导率匹配以及相应的电磁波吸收性能，在2.72 GHz下，匹配厚度为2.46毫米时，最小反射损耗（RL）值为-56.61 dB，有效吸收频带为 2.72 GHz。根据系统的表征结果，电磁波吸收性能归因于多次反射和散射，电子跳跃以及界面极化的协同效应。这种低成本，简单的制备工艺和出色的吸收性能证明BC/Fe3O4@C纳米复合材料是一种出色的轻质电磁波吸收材料。相关工作以“Synthesis and enhanced electromagnetic wave absorption performances of Fe3O4@C decorated walnut shell-derived porous carbon”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。

通过SEM研究样品的形态，显示大量的多孔材料（大部分尺寸在1.4到9.8μm范围内）穿透了BC的内部和表面。多孔体为入射的电磁波提供了许多传输通道，BC的大部分多孔质可以被BC/Fe3O4@C填充，少部分直径约为450 nm的Fe3O4@C纳米球分布在BC表面。

图1. BC/Fe3O4@C纳米复合材料制备过程示意图图2. BC/Fe3O4@C纳米复合材料SEM表征

在图3中，根据RL和频率在不同匹配厚度下的关系，可以描述BC和BC/Fe3O4@C纳米复合材料的RL图。BC呈现出差的微波吸收性质，具有非常薄的EAB和弱的RL值，对于BC/Fe3O4@C-1纳米复合材料，当匹配厚度为2.46 mm时，最小RL值为-26.368 dB，相应的EAB约为3.76 GHz，BC/Fe3O4@C-2纳米复合材料具有出色的微波吸收性能。可以清楚地发现，最小的RL值在2.46 mm的匹配厚度下达到-56.610 dB。同时，在1.46 mm的匹配厚度下，可以达到5.68 GHz的最宽EAB，几乎覆盖了整个Ku频段。

图3. BC/Fe3O4@C纳米复合材料吸波性能研究

为了探索微波反应机理，在图4中说明了入射电磁波的吸收和衰减过程。首先，阻抗匹配对于微波吸收性能的效率至关重要。BC和Fe3O4@C的适当介电损耗和磁损耗保证了吸收体具有良好的阻抗匹配，这使更多的电磁波进入吸收体，而不是被吸收体阻挡在外面。其次，入射的电磁波可以在BC内部多孔结构提供的众多传输路径中来回反射。也可以注入Fe3O4@C磁性小颗粒通过克服矫顽力来实现磁损耗。此外，跳跃电子在BC和Fe3O4@C纳米粒子之间传输，从而促进电磁波能量转化为热能。第三，Fe3O4@C纳米粒子与碳壳之间的异质界面在交替电磁场下导致电荷的积累和振荡，有利于界面极化的增强。另外，煅烧过程中产生的大量缺陷将促进偶极子的形成，进一步导致偶极子极化和德拜弛豫，这有利于增强电磁波能量的衰减。

图4 BC/Fe3O4@C纳米复合材料吸波机理示意图

总的来说，本文通过水热煅烧工艺成功地在BC表面装饰了Fe3O4@C磁性纳米球。BC/Fe3O4@C纳米复合材料在2–18 GHz频率范围内的电磁波吸收性能高度依赖于Fe3O4@C磁性纳米球的含量。纳米复合材料（BC/Fe3O4@C-2）在2.46 mm的匹配厚度下具有优异的电磁波吸收性能，最小RL值为-56.610 dB。同时，在1.46 mm的匹配厚度下，实现了整个Ku波段最宽的吸收频带覆盖。增强的电磁波吸收性能归因于纳米复合材料的多次散射和界面反射以及Fe3O4@C纳米球的大量缺陷和碳壳无序状态产生的介电极化。这个材料具有高效、绿色、可大量生产、优异的RL、薄匹配厚度以及较宽的有效吸收频带的特点，为轻型吸波材料的未来发展提供了新的借鉴。

来源：mse_material 材料科学与工程

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