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“裁剪”纳米纤维:既能“电磁吸收”又可“绿色屏蔽”? 精选

已有 1157 次阅读 2021-4-8 10:37 |系统分类:论文交流

A Nano-Micro Engineering Nanofiber for Electromagnetic Absorber, Green Shielding and Sensor
Min Zhang, Chen Han, Wen‑Qiang Cao, Mao‑Sheng Cao*, Hui‑Jing Yang*, JieYuan*

Nano-Micro Letters (2021)13: 27 

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00552-9

本文亮点
1. 电子输运特性在电磁衰减中的作用可以推广到其他电磁功能材料。

2. 电磁吸收绿色屏蔽集成可以拓宽电磁多功能材料的应用范围。

3. 提出了基于本征电磁衰减电磁谐振耦合效应的全新传感机制。

内容简介
多孔纳米结构在催化、超级电容器、电磁衰减等领域有巨大潜力。对其生长机理透彻理解有助于调控材料性能。特别是在电磁性能方面,多孔纳米结构具有轻质、高比表面、丰富的电子传输通道,这对促进电磁功能材料的创新具有重要意义。北京理工大学材料学院曹茂盛团队通过双模板方法剪裁了多孔钴酸镍(NiCo₂O₄)纳米纤维结构,调控了极化和电荷传输特性,获得了兼备电磁吸收和绿色屏蔽功能的钴酸镍纳米纤维。文章深入探讨了电磁吸收到电磁屏蔽状态的转变机理。这为多功能电磁材料及器件的发展提供了参考,解决了一种材料难以同时获得高效电磁吸收和绿色屏蔽的困难。
图文导读
静电纺丝和分步热处理相结合的策略可精准控制钴酸镍纳米纤维生长。如图1所示,静电纺丝制备含镍钴离子的PAN前驱体纤维,碳化前驱体形成Ni‑Co@C纤维,氧化Ni‑Co@C纤维形成钴酸镍纳米纤维。

图1. (a) 钴酸镍制备过程;(b-e) 每个过程对应的SEM图。

双重模板对钴酸镍纳米纤维微结构的调控机制。Ni‑Co@C纤维中碳和Ni‑Co颗粒可作为双重模板,支撑多孔钴酸镍颗粒组装成纳米纤维。如图2所示,温度和Ni‑Co颗粒表面形态对钴酸镍纳米纤维最终形貌有很大影响。温度过高时,碳纤维过细,难以维持后续氧化过程。Ni‑Co颗粒表面存在孔隙时,氧能从空隙渗入,形成多腔钴酸镍颗粒。

图2. (a) 温度对碳模板的影响;(b) 相应的SEM图;(c) 不同氧化过程机理图;(d) 不同钴酸镍空心球;(e) 多腔体球;(f-g) Ni-Co的TEM图;(h-i) 钴酸镍的TEM图。

碳化温度对钴酸镍纤维的生长有重要调控作用。碳化温度为700℃时,钴酸镍纤维结构坍塌。碳化温度为500℃和600℃时,钴酸镍颗粒能够组装成纳米纤维N1和N2。团队将N1和N2分散于石蜡基体中,研究了N1和N2复合材料的电磁吸收性能。如图3所示,随负载量增加,N1复合材料的电磁吸收性能先增加后降低,而N2单调降低。这是由于负载量增加,电导网络建立逐渐完善,电导率增加,导致阻抗逐渐失配、反射增加。

图3. (a-c) 50 wt%,70 wt%,90 wt%复合材料介电性能;(d-f) N1的吸波性能;(g-i) N2的吸波性能。

正确理解电磁吸收机制对调控材料电磁性能非常重要。团队分析了钴酸镍纳米纤维的电磁衰减机理,如图4所示,多重反射、电导损耗、偶极极化弛豫、界面极化弛豫协同吸收入射电磁能。

图4. (a) 多重反射和散射;(b) 电荷输运示意图;(c) 极化弛豫示意图;(d) 极化损耗和弛豫损耗因子;(e) 柯尔-柯尔曲线;(f) 晶粒内部界面TEM图;(g, h) 电荷差分图。

多孔钴酸镍纳米纤维同时具有有效的屏蔽性能。如图5所示,随复合材料电导率升高,屏蔽性能逐渐增强。并且,屏蔽性能主要来源于吸收的贡献(SEA)。90 wt% N2电导率最大,能够同时获得13.4 dB的屏蔽性能和-10.5 dB的吸收性能。绿色屏蔽指数(gs)是评估材料环境友好性的一项指标。对于钴酸镍复合材料,所有样品的gs都大于1,证明材料的二次反射污染相对较小,显示出绿色屏蔽性能。

图5. (a) 电磁屏蔽性能;(b) 吸收性能;(c) 电导率;(d) SER和反射性能;(e) 吸收和屏蔽性能对电导率的依赖;(f) 绿色屏蔽指数。

电磁衰减材料的功能拓展,新型应变电磁传感器。团队仿真设计了一种应变电磁传感器。如图6所示,反射系数对两层N1之间的距离l极为敏感:随l增大,反射系数峰值几乎不变,但峰位红移。这种响应主要来源于材料的本征衰减性能和两层N1之间的共振耦合作用。这项研究能够为拓宽电磁材料的应用领域提供参考。
图6. (a) 传感器示意图;(b) 等效电路;(c) 仿真电场、电场能量密度图;(d) 仿真磁场、磁场能量密度图;(e) 反射谱;(f) 共振频率随距离l的变化;(g) 应变响应曲线。
作者简介

张敏

本文第一作者

北京理工大学 博士

主要研究领域

低维电磁功能材料及超表面电磁器件。

主要研究成果

在Adv. Mater., Adv.Optical Mater., Carbon, Appl. Phys. Lett.等学术期刊发表论文10多篇,其中第一作者(含共一)7篇,高被引论文多篇。

曹茂盛

本文通讯作者

北京理工大学 教授

主要研究领域

低维电磁功能材料和器件、绿色能源材料和器件。

主要研究成果

在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Optical Mater., Carbon, Appl. Phys. Lett.等高影响力学术期刊发表SCI论文300多篇,H指数72,总被引次数超过20,000次,其中,ESI高被引论文超过40篇次,ESI热点引论文超过10篇次。连续入选“Clarivate Highly-Cited Researcher”和“Highly-Cited Author of RSC and Elsevier”以及荣获“IOP Top-Cited Author Award”。

Email: caomaosheng@bit.edu.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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1 杨正瓴

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