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研究背景
电磁波吸收材料在便携式电子、无线通信、航空航天、军事和医疗设备领域具有广泛应用。为满足当今高科技时代的需求，开发强吸收、低密度、薄厚度、有效吸收带宽、阻抗匹配的电磁波吸收材料已经迫在眉睫。研究新材料和创新的结构设计理念对于拓展高性能复合材料的应用领域至关重要。新型复合材料独特的多维分层结构有助于实现多种损耗机制协同作用。精确调整复合材料组分比例来优化阻抗匹配，揭示材料组成与结构协同作用对性能的影响规律，对实现高性能电磁波吸收具有重要意义。Xianyuan Liu, Jinman Zhou, Ying Xue, Xianyong Lu *
Nano-Micro Letters (2024)16: 174
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01396-3
本文亮点
1. 通过原位生长、真空辅助过滤和自还原等方法构筑了0D/1D/2D分层结构Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe纳米复合材料。
2. 磁性纳米粒子在碳骨架上原位生长形成项链状结构，并以此支撑二维磁性纳米片，实现了优异的电磁性能和良好的阻抗匹配。
3. 该复合材料表现出的最小反射损耗(RL???)为-59.3 dB，且实现5.6 GHz的有效吸收带宽和低雷达散射截面。内容简介
多维度分层异质结构可以充分发挥材料组成与结构协同作用。此外，集成0D/1D/2D结构磁性/碳纳米复合材料以多种损耗机制来高效吸收电磁波。北京航空航天大学化学学院鹿现永副教授团队从复合材料组成和结构设计出发，通过原位生长、自还原和多异质界面集成开发了一种多维度分层结构吸波复合材料。该分层结构的特点是具有三维碳骨架，磁性纳米颗粒在碳骨架上原位生长，形成多维度的项链状结构；并以此支撑二维磁性纳米片，实现高性能电磁波吸收。该复合材料在4.3 mm时的最小反射损耗(RL???)为-59.3 dB (6.6 GHz)，在2.2 mm时的有效吸收带宽(EAB)为5.6 GHz (11.8-17.4 GHz)。为了进一步评估复合材料的实际应用潜力，作者利用计算机模拟(CST)对材料的雷达散射截面(RCS)进行仿真。结果表明Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe复合材料在民用和军用隐身涂层中具有广阔应用前景。
图文导读
I 多维度分层纳米复合材料的构筑
如图1所示，通过对去质子化作用得到芳纶纳米纤维(ANFs)，将其作为复合材料合成骨架。采用溶剂热方法分别制备了项链状α-Fe?O?@ANFs和超薄Al-Fe?O?纳米片。其中，通过原位生长的策略制备0D/1D项链状复合材料，催化剂在芳纶纳米纤维上选择性吸附构筑活性位点，α-Fe?O?在此成核并生长。此外，通过金属离子诱导晶体二维生长得到超薄磁性纳米片。最后进行组装、超临界CO?干燥和自还原煅烧得到分层Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe复合材料。图1.Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe复合材料的制备工艺示意图。
II 分层Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe纳米复合材料的微观结构
经过高温煅烧，α-Fe?O?@ANFs/Al-Fe?O?中的ANFs转化为CNFs作为骨架；α-Fe?O?被还原成Fe?O?，部分被进一步还原成Fe单质。Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe新型纳米复合材料呈现三维网状结构，其中0D Fe?O?-Fe纳米颗粒、1D碳纳米纤维和2D Al-Fe?O?-Fe纳米片清晰可见(图2)。图2. (a)ANFs气凝胶，(b)CNFs，(c)α-Fe?O?@ANFs气凝胶，(d)Fe?O?-Fe@CNFs，(e)α-Fe?O?@ANFs/Al-α-Fe?O?气凝胶，(f)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe和(g)Al-α-Fe?O?纳米片的SEM图。(h)CNFs，α-Fe?O?@ANFs，Fe?O?-Fe@CNFs和Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的XRD图。(i)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的结构示意图。
图3.(a)ANFs，(b)α-Fe?O?@ANFs，(d)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的STEM图。(c)α-Fe?O?在α-Fe?O?@ANFs中的高分辨TEM图。(d)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的TEM图。(e)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe中Fe?O?-Fe的高分辨率TEM图及其对应的(f)SAED图。(g-j)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe中Fe、O、C、N的元素分布图。α-Fe?O?原位生长在芳纶纳米纤维上，形成了稳定的项链状结构(图3)。有效的克服了各组分界面结合力弱，分布不均匀的问题。TEM表明磁性纳米粒子牢牢固定在纳米纤维表面，高分辨TEM能观察到清晰的晶格条纹，表明磁性粒子的高度结晶性。还原后的磁性纳米粒子里混有Fe，这有效的提高了材料的饱和磁化强度和界面极化。
图4.(a)CNFs，(b)Fe?O?-Fe@CNFs，(c)Al-Fe?O?，(d)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe，(e)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe(1:2)的三维反射损耗。(f)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe(1:2)的有效吸收带宽。(g)Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的二维反射损耗。(h)样品不同厚度下最小反射损耗。(i)样品的最小反射损耗和有效吸收带宽的对比。
IV CST模拟仿真复合材料实际应用
为了评估Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的实际应用潜力，利用CST STUDIO SUITE 2023软件对涂覆Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe层的PEC金属板的雷达散射截面(RCS)进行了模拟。研究结果表明涂该覆吸波涂层的金属基板雷达散射截面显著降低。并将Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe涂覆在飞机模型表面，分别模拟水平极化和垂直极化下电磁波吸收效果，材料的RCS也显著降低(图5)。这些模拟结果表明了Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe复合材料在民用和军用隐身涂层中的应用前景。
图5.CST模拟仿真结果。(a)PEC基底和(b)涂覆Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe的PEC三维RCS图。(c)模拟样品在一定测试角度下的RCS值。(d)涂覆Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe涂层的飞机示意图。(e)水平极化和(f)垂直极化下飞机在10 GHz的前视RCS图。(g)水平极化和(h)垂直极化下，飞机在10 GHz时的俯视RCS图。
构建多维度分层异质结构是制备高性能电磁波吸收材料的有效策略。作者采用原位生长、真空辅助过滤和自还原煅烧等方法制备了多维度分层Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe吸波复合材料。Fe?O?-Fe@CNFs/Al-Fe?O?-Fe在厚度为4.3 mm时的RL???值为-59.3 dB，在厚度为2.2 mm时的EAB为5.6 GHz。3D碳骨架建立了连续的导电和导热网络，磁性Fe?O?-Fe增强了材料的磁损耗性能。二维Al-Fe?O?-Fe纳米片增加了电磁波的多重反射，Fe在体系中的存在进一步增强了磁损耗和界面极化，促进了电磁波转化为热能。此外，该纳米复合材料优异的电磁波吸收性能与多种损耗机制、多维梯度结构以及各组分的协同作用密切相关。研究结果对电磁波吸收材料等相关领域的多维分层结构材料的设计具有重要的指导和启示作用。
作者简介
本文通讯作者
北京航空航天大学 副教授▍主要研究领域
(1)高性能电磁吸波材料；(2)航空航天用仿生纳米纤维复合材料；(3)耐极端环境高分子复合材料。
▍个人简介
副教授，博士生导师。迄今在国内外学术杂志发表论文20余篇，申请美国专利2项，中国专利12项。作为负责人承担并顺利结题国家自然基金项目2项。承担学校重点教改项目2项。在职期间荣获2016北航教学成果奖二等奖；2019年北航教学成果奖二等奖；2020年北航教学成果奖；2017，2018北航教学优秀奖二等奖；北京市大学生化学实验竞赛指导教师：特等奖2项，一等奖8项，二等奖2项。以第一作者或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.，Nano-Micro Lett.，Small.，J. Mater. Sci. Technol.，J. Mater. Chem. A，Nano research，ACS Applied Bio Materials，ACS Appl. Mater. Interfaces等发表高水平科研论文，此外，发表教学论文十余篇。信息来源：nanomicroletters
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