Nano Res. 2021年5＆6月热点论文导读（五）：3D打印电磁波吸收碳纳米管
Web of Science热点论文：在过去两年内发表，并且在两个月内，受到引用的次数是其学术领域中前0.1%的论文。Nano Research在2019和2020年发表文章入选Web of Science2021年5、6月热点论文共6篇。
通讯作者
姬广斌 田宗军 南京航空航天大学
黄啸谷 南京信息工程大学
研究亮点
对于目前最先进的电子学和通讯领域而言，人们一直追求具有宽吸收波长的电磁吸收材料，同时传统的电磁吸收材料需要拓展有效吸收区间。
有鉴于此，南京航空航天大学姬广斌、田宗军和南京信息工程大学黄啸谷等报道一种双重材料调控策略，对导电吸收滤波与人工结构设计结合实现提高电磁波吸收能力。基于碳纳米管主体的电磁吸收材料只能限制在较窄的工作区间，而且响应的频率区间非常固定，因此碳纳米管电磁波吸收材料无法满足日益增加的电磁吸收应用需求。作者设计基于碳纳米管介电材料的宏观结构，有效的拓展了电磁波吸收区间，能够吸收C-band的主要部分、整个X-band、Ku-band较宽的电磁波区间，这种拓展电磁波吸收区间的效果通过电磁参数调控、提高电磁波的反射和散射实现。作者从材料的微观结构中导电性降低、介电极化损失，宏观材料形貌设计的多尺度，说明碳纳米管复合材料如何实现增强电磁波吸收能力。
本文研究结果说明通过碳纳米管以粉末/块体结合的结构、设计宏观结构，能够拓展材料的电磁波吸收区间，增强电磁波吸收强度。
背景
为了解决目前环境中大量使用的无限通讯和电子器件产生的电子辐射污染，人们需要研究和发展高效率电磁波吸收材料。通常电磁吸收材料的设计在微观尺度和宏观尺度两个维度进行。对于微观尺度的设计，通常遵循材料的本征“组分-结构-性质”关系进行设计，对于宏观尺度的设计，能够基于形貌和结构而不是能带结构或者化学成分实现提高电磁波吸收性能。相对于微观尺度材料电磁吸收性能调控，宏观尺度电磁吸收性能的调控需要通过形貌上的变化实现从自由空间向电磁损耗材料实现比较平缓转变，比如设计金字塔或者楔子型。通过这种变化，尽量降低电磁波的反射，因此电磁波能够缓慢的沿着材料形貌变化结构得到更加充分的吸收。在之前的一些工作中，人们发现这种宏观形貌调控方式能够实现在更宽的波长区间内实现电磁波吸收。
但是目前大多数的研究中，一般基于其中的一个角度设计电磁波吸收材料或者改善电磁波吸收性能。因此在这种过程中，电磁波的耗散方式只能通过一种机制，无法很好的实现宽能带电磁波吸收效果。
新进展
针对目前相关研究中只对其中一个角度进行调控的不足，作者将材料微观尺度和材料宏观尺度两个方面结合，得到了电磁波吸收效果更好的碳材料。同时，通过对同一材料进行宏观和微观尺度设计，更好的理解材料如何通过宏观形貌和微观组成调控之间的协同效应增强电磁波吸收能力，展示了一种提高电磁吸收强度和增加电磁吸收区间的材料设计方法。
材料合成
通过3D打印方法制备电磁波吸收材料。首先制备3D打印所需碳纳米管溶液，将适量碳纳米管分散到溶液中，形成较高导电性的一维碳纳米管分散液。随后使用3D打印技术构建蜂窝状含碳纳米管的3D框架结构。
将3D打印器件原型在350 ℃ N2气氛中煅烧碳化，得到3D电磁波吸收碳材料。将得到的3D电磁波吸收材料进行充分研磨，得到粉末状电磁波吸收材料，进行相关对比测试，展示3D结构如何促进电磁波吸收。
图1. 宏观-微观协同电磁波吸收材料设计
微观结构表征
对粉末状电磁波吸收材料进行表征。发现煅烧后的样品中碳纳米管能够均匀分布在其中，碳纳米管的形貌没有明显变化。但是表征发现，在进行煅烧处理后，碳纳米管的一些含氧官能团被消除，通过Raman表征发现修饰在粉末电磁波吸收材料中的碳纳米管材料石墨化程度有所降低，这是因为粉末状电磁波吸收材料中引入无定型碳导致。作者对含有碳纳米管的粉末状电磁波吸收材料与未修饰在复合结构材料中的碳纳米管进行电磁波吸收能力对比，发现粉末电磁波吸收材料具有更高的电磁波吸收性能，表现更高的吸收带宽、能够吸收更低频率的电磁波。由于粉末电磁波吸收材料是由碳纳米管和无定型碳组成，因此复合材料的介电常数更低。
材料宏观3D结构
图2. 3D宏观结构优化
因为微观尺度机制调控材料的电磁波吸收能力面临着操作区间较窄的问题，因此目前人们需要材料能够具有在更宽的区间内进行电磁波吸收的能力，因此作者通过数值模拟的方式进行宏观结构设计和优化，改善电磁波吸收能力。通过对经典的蜂窝状结构进行优化，得到优化的阵列结构。
这种宏观结构优化起到多重作用：均匀块体材料有助于形成“四分之一波长共振”现象；重复性排列的蜂窝结构高度变化导致电磁波衰减变化过程非常明显的变化，其中通过优化形貌能够实现最大程度的电磁波耗散；这种重复性宏观结构对不同波长电磁波产生不同的耗散变化能力，其中频率更高的电磁波具有更强的耗散损失。
电磁波吸收性能
图3. 电磁波吸收材料稳定性
在优化微观结构的同时调控宏观形貌，能够进一步的促进电磁波吸收，尤其是增加电磁波吸收区间。在最优的结果中，扩展的电磁波吸收区间达到12.69 GHz（5.31-18 GHz）， 能够对大部分C-band、整个X-band区间、Ku-band区间的电磁波进行吸收。
进一步的，通过防火试验和盐雾腐蚀试验，验证其表现了较好的性能，制成的电磁波吸收模块具有实用性。在空气气氛中在火焰灼烧中经过90 s后，未见宏观结构塌陷或者破坏，展示了比单独的碳纳米管更好的防火效果；盐雾腐蚀试验中发现，在168 h后通过TEM进行微观结构表征，发现仍能够很好的保持本征结构。
文章信息
Bin Quan, Weihua Gu, Jiaqi Sheng, Xinfeng Lv, Yuyi Mao, Lie Liu, Xiaogu Huang*, Zongjun Tian*, and Guangbin Ji*. From intrinsic dielectric loss to geometry patterns: Dual-principles strategy for ultrabroad band microwave absorption. Nano Res. 2021, 14(5): 1495–1501.
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