北航：制备一种纳米复合材料，实现优异电磁波吸收性能！学术资讯

来源：材料科学与工程

一、研究背景：

随着电子设备的快速发展，特别是手机、计算机和其他无线电子通信设备的广泛使用，诸如电磁干扰和电磁辐射之类的电磁污染问题变得越来越严重。电磁（EMW）污染不仅影响电子设备的正常运行，而且危害人类健康。为了减少电磁污染，研究人员越来越致力于开发有效的微波吸收材料，该材料可以将电磁能转换成热能或其他形式的能量，例如电能和机械能。

在各种EMW吸收材料中，诸如Fe，Co，Ni及其合金等磁性金属材料因其高饱和磁化强度、高磁导率和强各向异性而引起了广泛关注。此外，已知磁性金属颗粒的电导率和磁性受其微观结构的影响。因此，已经设计了一系列具有不同形态的磁性金属以调节其EMW吸收特性。从理论上讲，优秀的EMW吸收材料通常是由介电损耗和磁损耗组成的。由于磁性金属的弱介电损耗，纯金属通常表现出较差的吸波性能。另外，磁性金属材料通常具有诸如高密度和较差的化学稳定性的缺点，这也阻碍了它们在EMW吸收领域中的应用。

二、研究成果

针对上述问题，近日，北京航空航天大学Tong Liu教授（通讯作者）课题组报道了通过氢等离子体-金属反应制备具有强磁损耗能力的50nm珠状钴纳米颗粒。为了进一步调节介电参数，通过二氧化硅和酚醛树脂的原位聚合将碳层、SiO2和SiO2/碳层包覆在珠状钴核上，分别获得Co@C，Co@SiO2和Co@SiO2@C纳米复合材料。Co@SiO2@C纳米复合材料样品具有最佳的电磁波（EMW）吸收性能。在仅1.7 mm的厚度下，13.5 GHz时可获得的最小反射损耗（RL）值为-39.6 dB和RL <-10dB时的有效吸收带宽（EAB）为7.6 GHz。

令人惊讶的是，吸收带宽（RL <−20dB）宽达14.2 GHz（3.8–18 GHz），厚度为1.3–5.0 mm。优异的微波吸收性能归因于类珠状Co的强磁损耗、多种组分之间的协同效应以及核-壳结构引起的多重极化和多重散射。Co@SiO2@C纳米复合材料可以作为高性能微波吸收的理想候选材料！

图1. Co@C，Co@SiO2和Co@SiO2@C纳米复合材料合成示意图

图2. Co@C（a，b），Co@SiO2（c，d）和Co@SiO2@C（e，f）纳米复合材料的TEM图像，Co@SiO2的 HRTEM图像（g）和SAED图案（h）Co@SiO2@C纳米复合材料，三种纳米复合材料的EDS光谱

用TEM研究了这三个样品的形貌特征和微观结构。从图中可以看出，所有样品的核都是珠状的Co纳米颗粒。这种特殊的形态是由于Co 纳米颗粒自身的磁性，并在磁力的作用下结合在一起。

图3 反射损耗值

图4 微波吸收机理分析

Co@SiO2@C纳米复合材料具有出色的EMW吸收性能。厚度为1.7 mm时，RL min在13.5 GHz时达到-39.6 dB，低于-10 dB的RL的最大EAB宽至7.6 GHz（10.3-17.9GHz）。令人惊讶的是，小于-20 dB的RL的吸收带宽高达4.4 GHz（13.1–17.5GHz），厚度仅为1.5 mm。可以看出，同时引入碳和SiO2层可以显著提高Co的EMW吸收性能。

三、结论与展望

综上所述，作者通过氢等离子体-金属反应和酚醛树脂和二氧化硅的原位聚合成功制备了一系列具有核-壳结构的纳米复合材料。Co@SiO2@C纳米复合材料显示出新颖的珠状钴核和SiO2/碳层。与Co@C和Co@SiO2纳米复合材料相比，Co@SiO2@C纳米复合材料具有优异的EWM吸收性能。当匹配厚度仅为1.7 mm时，RLmin在13.5 GHz时，该值为-39.6 dB，小于-10 dB的有效带宽为7.6 GHz（10.3-17.9 GHz）。出色的吸收性能可归因于磁珠状Co的强磁损耗，不同组分之间的协同效应产生的良好阻抗匹配以及核壳结构产生多种损耗路径，包括多重极化和多重散射。Co@SiO2@C纳米复合材料可以用于EMW吸收应用的有潜力的材料，它具有重量轻、有效吸收带宽大、吸收强、匹配厚度薄和化学成分稳定的特点。

来源：mse_material 材料科学与工程

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