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纳米胶囊微波吸收剂:Fe/MnO@C 精选

已有 2236 次阅读 2020-4-16 18:07 |系统分类:论文交流| 异质结晶, 电弧放电, 电磁吸收, 石墨化, 非晶结构

Microwave absorbents of crystalline Fe/MnO@C nanocapsules embedded in amorphous carbon

Gaihua He, Yuping Duan*, Huifang Pang
Nano-Micro Lett.(2020)12:57
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0388-4

本文亮点
1 通过改进的电弧放电约束方法,制备了嵌入多孔非晶碳基体中的Fe/MnO@C核壳纳米晶。异质结晶-非晶结构均匀分散,静磁化强度和电磁吸收性能得到改善。
2 MnO的引入限制了石墨化程度,并有助于形成无定形碳,介电损耗和微波吸收可调可控。
内容简介
利用一种新的约束策略,成功地合成了嵌入多孔非晶碳基体结晶的Fe/MnO@C核-壳纳米胶囊 (FMCA)。异质的Fe/MnO纳米晶具有近似单畴尺寸,在2-18 GHz范围内产生自然共振。氧化锰的加入限制了铁催化石墨化的程度,有助于无定型碳的产生。由晶体-非晶结构组成的非均质材料分散均匀,具有独特的多孔性,密度明显降低。同时,通过中断铁核的聚合和阻碍石墨晶体导电网络的堆积,实现可调介电损耗。介电损耗与磁损耗协同作用使FMCA产生增强的微波吸收。最佳反射损耗(RL)为-45 dB,厚度为2.0 mm,有效带宽(RL<-10 dB)达5.0 GHz。不仅为设计高性能与低密度微波吸收器奠定了基础,也提供了一个通用的方法合成可调的异质晶体和非晶复合材料,广泛应用于储能、催化、生物医学、传感等领域。
研究背景
雷达系统,局域网,电话和计算机等电子设备的应用爆炸性增长,电磁辐射污染已成为一个日益严重的问题,迫切需要开发同时满足高吸收容量﹑有效带宽宽﹑重量轻和填料填充率低的电磁波吸收材料。镶嵌在多孔非晶碳中的Fe/MnO@C晶型纳米核壳纳米胶囊,不仅抑制了磁性颗粒的团聚和随之产生的集肤效应,减低磁流稀释保证较高的静磁性能,而且还提供了良好的化学均匀性以及Fe/MnO纳米颗粒与碳之间的足够界面。此外,在该方法中抑制了不可避免的伴随常规反应的Fe3C。介电与磁性材料的有效互补结构赋予了复合材料优异的微波吸收性能。

图文导读

I 嵌于无定形碳的Fe / MnO @ C纳米胶囊的微波吸收剂的形貌结构

嵌在无定型碳中的球形或椭球形的Fe/MnO@C纳米胶囊。图1a2-d2所示的纳米复合材料的放大图显示,Fe/MnO@C纳米胶囊上的无定型碳包裹形成了双壳层结构。透射高分辨图像显示Fe/MnO核被C壳层很好地包覆。嵌入的Fe/MnO@C纳米胶囊具有非常高的结晶性。显然,电弧放电法可形成两种不同形态的碳,即石墨碳和无定型碳。另外,MnO的加入限制了Fe/MnO纳米晶体的生长。Fe/MnO@C纳米胶囊的平均尺寸大约在50纳米以下。FMCA组分的元素电子能谱(EELS)图显示,Fe、Mn和O元素在制备过程中由于Fe和MnO的扩散而完全重叠。样品FMCA-1、FMCA-2、FMCA-3、FMCA-4的结晶石墨厚度分别为11层、7层、3层、2-3层。

图1 TEM和高分辨图: (a1-a3) FMCA-1,(b1-b3) FMCA-2, (c1-c3) FMCA-3, and (d1-d3) FMCA-4. Fe/MnO@C 纳米晶的元素分布图 (e-i)。

II 嵌于无定形碳的Fe/MnO@C纳米胶囊复合材料形成机制

嵌于无定形碳的Fe/MnO@C纳米胶囊复合物的形成过程分为三个阶段,即蒸发、成核/生长和催化石墨化。在第一阶段,用高能电弧等离子体将Fe和MnO2、气态CH4的原料共同完全蒸发成气态原子。在第二阶段,原始物种的蒸发原子将有序地进行成核和生长。在最后阶段,铁的催化作用使铁/MnO纳米晶附近的非晶态碳转化为结晶石墨。

图2 FMCA复合材料的形成过程。

III 嵌于无定形碳的Fe/MnO@C纳米胶囊复合材料的电磁性能

基于复介电常数和复磁导率得到了FMCA组分的反射损耗(RL)(图3a-d)。在12.5 GHz下,FMCA-1的最小反射损耗为-37.5 dB,在2 mm的小吸收剂厚度下,有效吸收带宽为4.8 GHz(图3a)。FMCA-2表现出吸收特性,反射损耗最小为-22.3 dB,有效吸收带宽为5.1 dB,薄层厚度为2 mm(图3b)。随着MnO含量的增加,最小反射损耗达到-45 dB, FMCA-3的反射损耗为5.5 mm, FMCA-4的反射损耗为4mm(图3c-d)。在厚度为2mm时,有效吸收带宽达到5.0 dB。而Fe@C复合物的最小反射损耗值仅为-5.6 dB,这是由于较大的介电损耗造成的(图3e)。加入MnO后,电磁吸收性能得到显著的改善。

图3 在2-18 GHz内的反射损耗三维图:FMCA-1 (a), FMCA-2 (b), FMCA-3 (c), FMCA-4 (d), and Fe@C (e)。

作者简介


段玉平

本文通讯作者

连理工大学 教授

主要研究领域

从事磁性、介电损耗型以及结构型电磁波吸收材料的制备及理论研究工作。主要针对金属氧化物、铁合金以及高熵合金等的制备和磁@电微波损耗机理进行系列研究。主要学术成果用仿生学原理构筑飞蛾复眼仿生吸波材料,实现多波段多功能兼容;建立了过渡金属单原子掺杂二氧化锰晶体缺陷理论模型,揭示了轨道杂化等引起微波介电极化损耗提升的相关机理。

主要研究成果

近年来以第一作者或通讯作者共发表相关学术论文80余篇,其中2篇在材料科学一区期刊发表(small影响因子10.856;Nano Research 影响因子8.515),2篇在一区期刊英国皇家化学会JMC(影响因子为6.641)上发表。以第一成果人申请并授权国家发明专利13项,实现技术转让2项,出版学术专著2部(2013年化学工业出版社《电磁波屏蔽与吸波材料》、2017年Pan Stanford Publishing《Microwave AbsorbingMaterials》)。

课题组主页: 
http://faculty.dlut.edu.cn/2006011122/zh_CN/index.htm

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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