北航鹿现永等：基于原位生长的分层磁性/碳纳米复合材料用于高效电磁波吸收
北航鹿现永等：基于原位生长的分层磁性/碳纳米复合材料用于高效电磁波吸收
电磁波吸收材料在便携式电子、无线通信、航空航天、军事和医疗设备领域具有广泛应用。为满足当今高科技时代的需求，开发强吸收、低密度、薄厚度、有效吸收带宽、阻抗匹配的电磁波吸收材料已经迫在眉睫。研究新材料和创新的结构设计理念对于拓展高性能复合材料的应用领域至关重要。新型复合材料独特的多维分层结构有助于实现多种损耗机制协同作用。精确调整复合材料组分比例来优化阻抗匹配，揭示材料组成与结构协同作用对性能的影响规律，对实现高性能电磁波吸收具有重要意义。
北京航空航天大学化学学院鹿现永副教授团队从复合材料组成和结构设计出发，通过原位生长、自还原和多异质界面集成开发了一种多维度分层结构吸波复合材料。该分层结构的特点是具有三维碳骨架，磁性纳米颗粒在碳骨架上原位生长，形成多维度的项链状结构；并以此支撑二维磁性纳米片，实现高性能电磁波吸收。该复合材料在4.3 mm时的最小反射损耗(RLₘᵢₙ)为-59.3 dB (6.6 GHz)，在2.2 mm时的有效吸收带宽(EAB)为5.6 GHz (11.8-17.4 GHz)。为了进一步评估复合材料的实际应用潜力，作者利用计算机模拟(CST)对材料的雷达散射截面(RCS)进行仿真。结果表明Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料在民用和军用隐身涂层中具有广阔应用前景。
多维度分层纳米复合材料的构筑
通过对去质子化作用得到芳纶纳米纤维(ANFs)，将其作为复合材料合成骨架。采用溶剂热方法分别制备了项链状α-Fe₂O₃@ANFs和超薄Al-Fe₃O₄纳米片。其中，通过原位生长的策略制备0D/1D项链状复合材料，催化剂在芳纶纳米纤维上选择性吸附构筑活性位点，α-Fe₂O₃在此成核并生长。此外，通过金属离子诱导晶体二维生长得到超薄磁性纳米片。最后进行组装、超临界CO₂干燥和自还原煅烧得到分层Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料。
分层Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe纳米复合材料的微观结构
经过高温煅烧，α-Fe₂O₃@ANFs/Al-Fe₂O₃中的ANFs转化为CNFs作为骨架；α-Fe₂O₃被还原成Fe₃O₄，部分被进一步还原成Fe单质。Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe新型纳米复合材料呈现三维网状结构，其中0D Fe₃O₄-Fe纳米颗粒、1D碳纳米纤维和2D Al-Fe₃O₄-Fe纳米片清晰可见。
分层纳米复合材料优异的吸波性能
作者通过对Al-Fe₃O₄纳米片的含量进行调节，以此调控电磁参数使其阻抗匹配，从而获得了高性能吸波复合材料。Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe在4.3 mm时的RLₘᵢₙ为-59.3 dB (6.6 GHz)，在2.2 mm时的EAB为5.6 GHz (11.8-17.4 GHz)。Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe(1:2)在2.1 mm时的RLₘᵢₙ为-49.5 dB (14.9 GHz)，在2.2 mm时的EAB为6.4 GHz (11.3-17.7 GHz)。Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料具有强吸收、薄厚度、有效吸收带宽等优势。
CST模拟仿真复合材料实际应用
为了评估Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的实际应用潜力，利用CST STUDIO SUITE 2023软件对涂覆Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe层的PEC金属板的雷达散射截面(RCS)进行了模拟。研究结果表明涂该覆吸波涂层的金属基板雷达散射截面显著降低。并将Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe涂覆在飞机模型表面，分别模拟水平极化和垂直极化下电磁波吸收效果，材料的RCS也显著降低。这些模拟结果表明了Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料在民用和军用隐身涂层中的应用前景。
总结与展望
构建多维度分层异质结构是制备高性能电磁波吸收材料的有效策略。作者采用原位生长、真空辅助过滤和自还原煅烧等方法制备了多维度分层Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe吸波复合材料。Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe在厚度为4.3 mm时的RLₘᵢₙ值为-59.3 dB，在厚度为2.2 mm时的EAB为5.6 GHz。3D碳骨架建立了连续的导电和导热网络，磁性Fe₃O₄-Fe增强了材料的磁损耗性能。二维Al-Fe₃O₄-Fe纳米片增加了电磁波的多重反射，Fe在体系中的存在进一步增强了磁损耗和界面极化，促进了电磁波转化为热能。此外，该纳米复合材料优异的电磁波吸收性能与多种损耗机制、多维梯度结构以及各组分的协同作用密切相关。研究结果对电磁波吸收材料等相关领域的多维分层结构材料的设计具有重要的指导和启示作用。