山东大学王凤龙团队：三元纳米纤维材料，出色的吸波性能！

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一直以来，多组分复合材料的制造一直被视为开发增值、高效和多功能材料的一种有效且实用的策略。三元复合材料在界面效应和协同效应的优越性方面是各个研究领域特别关注的。为了减少通信技术和电子设备对当前电磁（EM）环境的负面影响，并满足精密设备的抗干扰和物理保护的需求，三元复合材料也成为开发高强度复合材料的焦点。研究证实，三元复合系统极大地促进了电磁波吸收的进一步改善。而三元复合材料实现协同效应的关键是如何合理选择功能成分并设计合适的微结构。对于材料的搭配，考虑到导电损耗通常会对衰减能力产生主要影响，因此始终选择碳材料作为基材。并且在降低总体密度和改善化学稳定性方面显示出巨大的优势，并且其丰富的品种有利于扩大应用领域。磁性材料可通过增加磁导率引入磁损耗和抑制阻抗不匹配。金属镍作为典型的软磁材料具有高导磁率和饱和磁化强度的优点，有利于提高磁损耗容量和提高Snoek极限以确保在高频范围内的EM吸收，因此对其进行了广泛的EM吸收研究。对于电介质组件，通常使用氧化物陶瓷来调整EM参数。具有适当介电常数的TiO₂可以有效地调节阻抗匹配性能。当制成薄涂层时，TiO₂可以吸收外部EM波并保护内部组件免受氧化或腐蚀。通常将微观结构（例如表面形态）视为影响性能的另一个重要因素。纳米纤维作为具有高形状各向异性的典型一维结构，可以对材料的电磁性能产生重大影响。高纵横比可以促进电子传导，从而进一步扩大传导损耗能力。此外，纳米纤维的相互堆叠对形成三维（3D）网络是有益的，以增强多次散射。在纳米纤维的各种制备方法中，静电纺丝技术因其低成本，高产量，操作方便和环境友好的优势而被广泛研究。结合适当的煅烧过程，可以将基于聚合物的前体中的金属离子转化为金属或金属氧化物。同时，可以实现具有独特表面形态的自组装纤维结构。近日，山东大学材料科学与工程学院王凤龙等人通过电纺丝和热处理方法相结合，简便地制备了精巧的Ni嵌入TiO₂/C核壳三元纳米纤维。在该制备过程中，碳基质可以自发地将钛盐和镍盐还原为TiO₂和Ni，然后将它们自组装以形成更精细的一维结构。研究发现TiO₂优化的阻抗匹配特性和金属Ni通过电磁参数调节提高了衰减能力。该策略不仅为制备具有复杂结构的三元纳米纤维提供了极大简化的方法，而且还充分发挥了不同组分的功能，以达到协同效应。这也将为今后研究中增强电磁波吸收性能提供有意义的理论指导。这项研究工作以“Facilefabrication of Ni embedded TiO₂/C core-shell ternary nanofibers with multi component functional synergy for efficient electromagnetic wave absorption”为题发表在国际著名期刊《Composites PartB: Engineering》上。

图1  XRD、拉曼、TG、磁滞回线表征

图2 SEM表征图3 反射损耗RL值曲线及投影图图4  与其他三元吸波材料性能对比图5 吸波机理示意图

综上所述，作者通过电纺丝和随后的热处理相结合的方法，成功地制备了Ni嵌入的TiO₂/C核壳三元纳米纤维。碳纳米纤维的表面均匀地涂覆有粗糙且起皱的TiO₂层，并且金属Ni纳米颗粒均匀地嵌入在纳米纤维的表面和内部。TiO₂与摩尔比为4：1的三元纳米纤维金属镍具有优异的电磁波吸收性能。最小反射损耗RL值在2.0毫米时达到-74.5 dB，最大有效吸收频带EAB在2.6毫米时达到6.7 GHz。出色的性能归因于合理的成分搭配和精心设计的微观结构。金属镍的引入显著增强了衰减能力并减小了匹配厚度。TiO₂可以有效地协调EM参数以优化阻抗匹配特性。各种异质界面增强了界面极化弛豫，而3D网络结构促进了多重散射，这将进一步扩大吸收优势。这项工作表明Ni嵌入TiO₂/C核壳三元纳米纤维具有成为理想的EM波吸收材料的巨大潜力。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836820333928

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