【科普系列】碳基/羰基铁复合吸波材料的研究进展
随着电子信息技术的迅猛发展，日益强大的目标探测和跟踪能力使得武器系统受到严重的侦查威胁，电磁波辐射污染也成为人类健康的重要“杀手”。吸波材料技术是有效降低武器系统的特征信号、较大程度减轻电磁辐射污染、提高武器系统生存和突防攻击能力的有效手段。新的电磁环境对吸波材料的性能提出了更高要求，单相吸波材料难以满足“薄、轻、宽、强”的综合需求，多种材料之间的优势互补复合成为吸波材料研究和发展的重点方向。将碳材料与羰基铁复合，不仅能降低复合材料的密度，而且能使其兼具电、磁双重损耗，有效拓宽吸波频带，提高吸波性能，从而获得了具有良好综合性能的轻质吸波材料。
羰基铁的本征吸波性能及改性
羰基铁是当前应用较为广泛的磁性吸波剂，其制备的吸波涂层具有吸波性能强、有效吸波频带宽、涂层厚度薄等优点，但其密度大、损耗机制单一，难以满足吸波涂层轻量化、宽吸收的需求。围绕羰基铁吸波性能的研究主要可分为羰基铁的表面原位改性和增大羰基铁的形状各向异性两个方面。羰基铁的表面改性主要是通过羰基铁表面原位改性、包覆无机或有机吸波材料等手段，降低介电常数、改善阻抗匹配，提高抗氧化性和抗腐蚀性，改善分散性，降低吸收剂密度。增大羰基铁的形状各向异性主要是通过机械球磨、调控制备工艺参数等手段，合成具有形状各向异性的片状、纤维状、壳状、树枝状羰基铁(见图1)，提高其Snoek极限，从而获得较高的磁导率以及更大的磁损耗。以其为主要吸波剂制备的吸波涂层具有吸收强、有效频带宽、面密度低等特点。
图1 不同形貌的羰基铁粒子
（a）片状；（b）纤维状；（c）壳状；（d）树枝状
图片来自：(a) Journal of Alloys and Compounds, 2015, 637:106-111; (b)矿冶工程, 2016, 36(03): 98-101, (c)Applied Surface Science, 2013, 270:432-438, (d)重庆大学学报, 2017, 40(10): 53-59
碳基/羰基铁复合吸波材料
石墨烯、碳纳米管、碳纤维等碳材料是一种介电性能优异的轻质吸波材料，然而较高介电常数导致其阻抗匹配特性较差，存在损耗机制单一、吸收频带窄、吸收性能弱等缺点。在碳材料中引入磁性吸收剂，通过多维结构和多重电磁损耗机制改善其吸波性能，是提高吸波性能的有效途径，如图2所示。碳基/羰基铁复合吸波材料的研究主要集中在石墨烯/羰基铁复合吸波材料、碳纳米管/羰基铁复合吸波材料、碳纤维/羰基铁复合吸波材料、炭黑/羰基铁复合吸波材料、石墨/羰基铁复合吸波材料以及其他碳材料与羰基铁的复合吸波材料。碳材料与羰基铁复合的形式主要有核壳结构（如羰基铁表面包覆石墨烯壳层）和共混结构（碳纳米管与羰基铁在基体中均匀共混），如图3所示。
图2 片状羰基铁/还原氧化石墨烯/PVP复合材料制备过程及吸波机理示意图
图片来自：Journal of Alloys and Compounds, 2017, 695:508-519
图3 碳纳米管、片状羰基铁和环氧有机硅树脂基体组成的三维网络结构示意图
图片来自：Carbon, 2010, 48(14):4074-4080
存在问题及展望
当前的研究在提高吸波性能、拓宽吸收频带上取得了一些积极的进展和突破，但是仍然存在一些问题：（Ⅰ）碳材料与羰基铁在复合形式上，改进传统复合模式、构筑多维空间结构复合吸波材料以增加电磁波损耗机制、增强电磁波损耗能力方面有待进一步研究；（Ⅱ）尽管轻质碳材料的引入在一定程度上降低了复合吸波剂的填充密度，但是“轻”的问题并没有完全解决；（Ⅲ）在复合材料吸波性能综合设计方面的系统理论研究不够深入，研究大都处于实验室研究阶段，未获得广泛的实用和实质性的突破。
为了满足吸波材料在“厚度薄、密度小、吸收强、频段宽”等方面的要求，碳基/羰基铁复合吸波材料的研究还应从以下方面进行努力：（Ⅰ）碳基/羰基铁复合吸波材料吸波机理研究及性能调控；（Ⅱ）进一步降低碳基/羰基铁复合吸波材料密度；（Ⅲ）进一步拓宽碳基/羰基铁复合吸波材料的有效吸收频带；（Ⅳ）碳基/羰基铁复合吸波材料的工业化、可控性生产及应用。
原文出处：
葛超群, 汪刘应, 刘顾
2019, 47 (12): 43-54.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000220