西工大张宝亮团队：多层异质结构的磁性管状纤维材料，呈现优异吸波性能！

随着技术的飞速发展和电子通信设备的广泛使用，微波的干扰和辐射已成为不可忽视的问题。引起的电磁污染可能对人体健康和精密电子设备的运行造成不利影响。为了解决这些问题，设计和制备各种频率带宽的微波吸收材料一直是研究的重点。理想的吸波材料应具有出色的综合特性，例如超宽吸收带宽，强吸收，重量轻和厚度薄。

迄今为止，已经有许多方法可以调节微波吸收材料的阻抗匹配并改善反射损耗（RL）。其中，优化材料的组成和结构成为近年来的热点。将磁性纳米颗粒引入介电损耗材料是一种有效的方法。这种复合材料具有以下优点：（1）磁性纳米粒子可以成为材料界面的极化中心。偶极极化和界面极化能提高吸波性能。（2）磁性纳米粒子具有纳米级和大表面积的优点，导致入射微波的散射。（3）介电损耗和磁损耗的互补性有利于实现适当的阻抗匹配并改善吸波性能。空间限域效应有利于微波的耗散，目前已开发出具有拨浪鼓状，多壳或管状结构的吸波材料。入射微波将被有效吸收，因为它可以在腔体内多次反射。

近日，西北工业大学张宝亮（通讯作者）等研究人员通过前驱体单步热解过程设计制备出一种新型的具有多层异质结构的微波吸收材料（TCF@Fe₃O₄@NCLs）。基于介电/磁损耗双重协同效应，多层异质结构和导电网络的引入，TCF@Fe₃O₄@NCLs材料表现出优异的吸波性能，反射损耗（RL）值为-43.6 dB，有效吸收带宽（EBA）为4.6 GHz（8.2-12.8 GHz），填充量为10 wt％，在吸波材料应用方面很有潜力。相关工作以“Fabrication of magnetic tubular fiber with multi-layer heterostructure and its microwave absorbing properties”为题发表在国际著名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.05.058

TCF@Fe₃O₄@NCLs是采用限域自缩聚、溶剂热法和多巴胺（DA）聚合技术制备的。所获得的材料是由嵌入型Fe₃O₄纳米颗粒、分散型Fe₃O₄纳米粒子以及氮掺杂碳层（NCL）组成的管状碳纳米纤维（TCF）结构。管状碳纳米纤维提供了主要的介电损耗。Fe₃O₄纳米颗粒可显著提高低频微波吸收能力，并提供适当的磁损耗。NCL提高了电导率并促进了多重极化效应的产生，从而导致介电损耗增加。作者进一步阐明了电磁波吸收机理。

图1.TCF@Fe₃O₄@NCLs材料制备过程的示意图

TCF@Fe₃O₄@NCLs材料合成策略包括图示四个步骤，它具有由Fe₃O₄以及从内部到外部的氮掺杂碳层。该材料的优点体现在以下几个方面。多层异质结构有利于优化阻抗匹配。具有空腔的分层混合结构可以改善多重反射和界面极化效应。在掺氮碳层的保护下，Fe₃O₄纳米颗粒的稳定性得到提高。氮掺杂导致表面缺陷并促进偶极子形成和界面极化。以上固有特性均有利于增强吸收体的微波吸收性能。

图2. SEM与TEM表征

用电子显微镜观察产物的微观形态，观察到内部和外部都具有无机纳米颗粒的管状纤维。相比之下，很明显FeCl₃在PF@Fe₃O₄中占据的位置碳化后聚集了更多的Fe₃O₄纳米颗粒。表面上负载的Fe₃O₄的平均粒径从7 nm增加到15 nm。

图3. 反射损耗曲线：填充量分别为7.5 wt％（a），10 wt％（b）和12.5 wt％（c）和15 wt％（d）

填充量为7.5 wt％，10 wt％，12.5 wt％和15 wt％的样品的RL 最大值分别为-21.4 dB（8.5 GHz，4 mm），-43.6 dB（9.9 GHz，3.3 mm），-31.7 dB（17.9 GHz, 1.9mm）和-15.1 dB（17.6 GHz，1.7mm）。RL 最大值随填充量增加先增加，然后减少。填充量为10wt％时，吸收性能最好。RL 最大值朝着高频方向移动，并且匹配厚度随着负载的增加而减小。这种现象表明，可以通过改变填料的加入量来调节有效吸收带宽。

图4 吸波机理分析

吸波机理为：多层异质结构优化了吸收体的阻抗匹配。多个界面引入了更多的极化中心，触发了多种极化效应，并进一步改善了介电损耗。由一维材料重叠形成的三维导电网络可以增加电导损耗。磁性Fe₃O₄纳米颗粒的引入提供了额外的磁损耗。磁损耗机制包括自然共振和涡流损耗。中空管状结构，多孔结构和Fe₃O₄纳米粒子引起多次散射和反射，有利于微波的吸收和耗散。

综上所述，通过简单的四步法制备了一种具有多层异质结构的新型微波吸收材料。对其进行了系统地分析和表征。通过比较研究了每种成分对微波吸收性能的贡献。除单一功能成分的性能外，合理的微观结构和成分之间的协同效应是改善微波吸收的两个重要因素。多孔二级结构的存在有利于入射微波的多次反射和散射。多层异质结构的界面引入的多重极化效应可以增加吸收体的介电损耗。由堆叠的一维材料形成的三维导电网络会增加电导损耗，并且可以通过在2–18 GHz范围内更改填充量来调整有效吸收带宽。（文：嘉一）