广工大《Carbon》：三维蜂窝状复合材料，优异的电磁波吸收性能！

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无线通信技术的发展和5G网络时代的到来使得无线通信设备在我们的生活中越来越广泛地使用，并影响着我们的日常生活，因此看不见和不受控制的电磁波（EM）引起了研究人员的极大关注。各种研究表明，长期暴露于电磁波辐射会破坏DNA并增加患癌的风险。同时，军事领域对飞机隐身性能的要求也越来越高。然而，通常分散在EM波透波基体中的传统吸收材料（例如铁氧体、磁性金属等）不再能满足航空航天领域对吸波材料的高要求。因此，必须制备一种新型的吸波材料以满足日益严格的质量要求，在民用和军用领域都能发挥重要作用。

在吸波材料中使用的金属氧化物主要包括SnO₂，二氧化钛，γ- Fe₂O₃，Fe₃O₄等。SnO₂不是磁性的，主要是产生介电损耗。同样，二氧化钛也不是磁性的。在许多金属氧化物中，Fe₃O₄由于其亚铁磁性、适中的饱和磁化强度和强自旋极化的特点成为最有潜力的电磁波吸收材料。

近日，广东工业大学Haiyan Zhang（通讯作者）等研究人员通过两步胶体模板法制备了三维蜂窝状纳米Fe₃O₄@C（HcFe₃O₄@C）复合材料和三维蜂窝状多孔碳（HcC）。这种HcFe₃O₄@C复合材料呈现具有100nm均匀孔径结构的三维多层蜂巢状，在低Fe₃O₄含量（28.95％）时HcFe₃O₄@C复合材料显示增强的吸波性能。HcFe₃O₄@C复合材料在3.5 mm的厚度和5.04 GHz的宽有效吸收带宽下，在9.6 GHz频率下的最佳反射损耗（RL）值为-46.4 dB。优异的EM波吸收性能归因于Fe₃O₄和碳层的协同作用以及结构上的优势，例如三维蜂窝结构中电磁波的多次反射以及Fe₃O₄纳米颗粒和碳层引起的界面极化。这项研究工作提供了制备具有蜂窝状纳米结构的铁氧体碳基吸波材料的新方法！这项研究工作以“A novel andfacile-to-synthesize three-dimensional honeycomb-like nano-Fe₃O₄@C composite: Electromagnetic wave absorption with wide bandwidth”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。

图1.  HcFe₃O₄@C复合材料制备示意图

图2. Ps纳米球（a），Ps纳米球阵列（b），填充有铁盐和PF溶液的Ps纳米球阵列（c），HcC（d）和HcFe₃O₄@C复合材料（e）的SEM图像。HcFe₃O₄@C复合材料的TEM（f）和HRTEM（g）图像。HcFe₃O₄@C (h）的暗场SEM。HcFe₃O₄@C复合材料（I-K）中C，O和Fe的EDS图像

图3  HcFe₃O₄@C复合材料的复介电常数

图4HcFe₃O₄@C复合材料的复磁导率

图5 HcFe₃O₄@C复合材料吸波性能测试

图6 HcFe₃O₄@C复合材料吸波机理示意图

总而言之，作者结合胶体模板法和热解工艺成功制备出了HcFe₃O₄@C复合材料。酚醛树脂作为碳源的引入不仅提供了高产率的无定形碳，而且在热解过程中进行了固化反应以保持蜂窝状的形态。同时，在热解过程中会形成Fe₃O₄纳米颗粒，这大大增强了磁损耗。三维蜂窝状结构可有效改善EM波与吸收性介质之间的相互作用。HcFe₃O₄@C复合材料具有优异的EM波吸收性能，最小RL值为-46.4 dB，在3.5 mm厚度下的有效吸收带宽为5.04 GHz。基于所制备的HcFe₃O₄@C复合材料的电磁波吸收性能，它将成为未来电磁波吸收材料的理想候选材料之一。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320304620

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