【人物与科研】西北工业大学吴宏景课题组Adv. Funct. Mater.: 聚酰亚胺基周期性铜基损耗单元增强电磁波吸收薄膜

导语

目前，研究人员已开发出种类繁多的粉末型吸波剂（例如碳材料，金属氧化物，合金及其纳米混合物），并表现出优异的性能。但是受限于样品形式，粉末型吸收剂扔存在吸收损耗机理单一、团聚严重、机械性能差、成本高等问题，难以满足当前应用环境对新型吸波材料“轻”“柔”“宽”“强”的要求，更无法应用于其它恶劣环境。近日，西北工业大学吴宏景副教授在电磁波吸收薄膜领域取得新突破。相关研究成果在线发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202111045）。

吴宏景副教授课题组简介

课题组成立以来一直从事电磁波吸收材料的研究：致力于制备高效的新型铁氧体材料和硫化物基吸波材料，目前已在微观电磁损耗物理机制方向的研究取得了一定的进展。课题组已经在国际知名学术期刊发表论文100多篇，包括Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal等国际知名期刊。课题组目前有博士后1名、博士7名、硕士6名。

吴宏景副教授简介

吴宏景，西北工业大学物理科学与技术学院副教授，博士生导师。2007年本科、2010年硕士毕业于中国地质大学（武汉）；2010年至2014年在西北工业大学攻读博士学位；2012-2013年期间，在意大利科学院纳米结构材料研究所进行访学。在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Science& Technology、Carbon等国际知名学术期刊发表研究论文100多篇，所发论文被引用超过6800次，H-index为49（至2022年1月）。目前担任《稀有金属》（中、英文版）青年编委，SCI源期刊Journal of Materials Science：Materials in Electronics编辑。

前沿科研成果

聚酰亚胺基周期性铜基损耗单元增强电磁波吸收薄膜

由于传统吸波粉体难以满足实际的应用需求及各种恶劣的应用场景，多功能吸波体的设计和制备是很有必要的。基于此，吴宏景副教授创造性的设计了一种具有周期性铜基损耗单元的聚酰亚胺（PI）增强复合薄膜，这些薄膜具有适用于特定应用的可调电磁性能和优异的环境适用性。一方面，这些周期性单元优化了薄膜在交变电磁场中的电场分布，造成了更强的电导损耗。另一方面，每个单元中Air@Cu_2-xS的分级结构和丰富的异构界面也带来了更强极化损耗和散射衰减。这种薄膜在X波段（8-12 GHz）的吸波效率达到了391.43%·mm^-1，对电磁波形成了有效的吸收。并且，该薄膜在聚酰亚胺框架的增强下表现出优异的机械性能、热传导/散热性能和环境稳定性，有望在精密仪器、武器装备、海水抗腐蚀等领域得到广泛的应用。

这种Air@Cu_2-xS@PI (ACP) 薄膜的主要设计路线如下图所示（图1a）。在构建过程中，以含氟PI薄膜作为框架，并使用市售的铜网作为原材料和模板，通过表面活化、原位配位反应、硫化、浸胶、亚胺化、选择性蚀刻等一系列操作，成功制备出具有周期性损耗单元的聚酰亚胺中空复合薄膜。化学结构表征证实聚酰亚胺框架在酸性刻蚀剂中可以保持长时间稳定，刻蚀后的薄膜继承了聚酰亚胺柔韧的特性并由于氟离子的引入表现出一定的透明度（图1b-d）。同时，由于聚酰亚胺框架的锚定作用，铜网本身的周期性方环结构在原位配位反应、硫化和蚀刻处理后也得以保留，经过有限元分析证明该结构在交变电磁场下对薄膜电场分布产生积极影响（图2a, b）。通过控制硫化参数进一步优化了每个周期单元的微观结构和组分，最终得到了由中空内核和多孔Cu_2-xS（CuS, Cu₉S₅）外层组成的电磁波衰减单元（图2c-g）。

图1. Air@Cu_2-xS@PI（ACP）薄膜的制备示意图（a）及其化学结构和透明性表征（b-d）

（来源：Advanced Functional Materials）

图2. ACP薄膜的组分结构表征

（来源：Advanced Functional Materials）

得益于这种周期性结构以及单个结构单元内部多样的衰减机制，ACP薄膜表现出优异的电磁波吸收性能，在0.14 mm厚度下对电磁波造成了有效的衰减，吸收系数达到了391.43%·mm^-1（图3a, b）。有限元分析结果证明，这种周期性结构的电场强度相比于无序对照样品增强了3倍，并呈现出特定的空间分布，计算得到的功率损耗也证明了这种结构对电磁波衰减的增强效果（图3c）。同时，根据密度泛函理论计算了单元内部Cu_2-xS的差分电荷密度，结果表明电荷在CuS(101)/Cu₉S₅(0120)异质结面存在重新分布和聚集，这在交变电磁场中会引发显著的界面极化行为（图3d, e）。

图3. ACP薄膜的电磁性能表征

（来源：Advanced Functional Materials）

另外，在聚酰亚胺框架的增强下ACP薄膜的拉伸强度达到了26.9 MPa, 兼具良好的热传导/散热性能。这种特殊的分级结构更是赋予了薄膜良好的抗腐蚀能力，在人造海水中浸泡21天后吸波性能基本不受影响。

图4. ACP薄膜的多功能性表征

（来源：Advanced Functional Materials）

总结：

这项工作通过微结构设计和组分优化制备出了一种低成本、高效率、可大规模制备的电磁波吸收薄膜，为粉末型吸波剂向吸波产品的转变提供了一种新的策略。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202111045）上，该论文第一作者为博士生赵泽昊，通讯作者为吴宏景老师。上述研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省基础研究计划和中央高校科研业务费的支持。

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