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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 精选

已有 3487 次阅读 2024-5-20 10:53 |系统分类:论文交流

研究背景

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。

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Structural Engineering of Hierarchical Magnetic/Carbon Nanocomposites via In Situ Growth for High‑Efficient Electromagnetic Wave Absorption

Xianyuan Liu, Jinman Zhou, Ying Xue, Xianyong Lu *

Nano-Micro Letters (2024)16: 174

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01396-3

本文亮点

1. 通过原位生长、真空辅助过滤和自还原等方法构筑了0D/1D/2D分层结构Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe纳米复合材料。

2. 磁性纳米粒子在碳骨架上原位生长形成项链状结构,并以此支撑二维磁性纳米片,实现了优异的电磁性能和良好的阻抗匹配

3. 该复合材料表现出的最小反射损耗(RLₘᵢₙ)为-59.3 dB,且实现5.6 GHz的有效吸收带宽和低雷达散射截面

内容简介

多维度分层异质结构可以充分发挥材料组成与结构协同作用。此外,集成0D/1D/2D结构磁性/碳纳米复合材料以多种损耗机制来高效吸收电磁波。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。

图文导读

I 多维度分层纳米复合材料的构筑

如图1所示,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CO干燥和自还原煅烧得到分层Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料。

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图1.Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe复合材料的制备工艺示意图。

II 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(图2)。

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图2. (a)ANFs气凝胶,(b)CNFs,(c)α-Fe₂O₃@ANFs气凝胶,(d)Fe₃O₄-Fe@CNFs,(e)α-Fe₂O₃@ANFs/Al-α-Fe₂O₃气凝胶,(f)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe和(g)Al-α-Fe₂O₃纳米片的SEM图。(h)CNFs,α-Fe₂O₃@ANFs,Fe₃O₄-Fe@CNFs和Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的XRD图。(i)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的结构示意图。

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图3.(a)ANFs,(b)α-Fe₂O₃@ANFs,(d)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的STEM图。(c)α-Fe₂O₃在α-Fe₂O₃@ANFs中的高分辨TEM图。(d)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的TEM图。(e)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe中Fe₃O₄-Fe的高分辨率TEM图及其对应的(f)SAED图。(g-j)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe中Fe、O、C、N的元素分布图。

α-Fe₂O₃原位生长在芳纶纳米纤维上,形成了稳定的项链状结构(图3)。有效的克服了各组分界面结合力弱,分布不均匀的问题。TEM表明磁性纳米粒子牢牢固定在纳米纤维表面,高分辨TEM能观察到清晰的晶格条纹,表明磁性粒子的高度结晶性。还原后的磁性纳米粒子里混有Fe,这有效的提高了材料的饱和磁化强度和界面极化。

III 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,如图4所示。

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图4.(a)CNFs,(b)Fe₃O₄-Fe@CNFs,(c)Al-Fe₃O₄,(d)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe,(e)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe(1:2)的三维反射损耗。(f)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe(1:2)的有效吸收带宽。(g)Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的二维反射损耗。(h)样品不同厚度下最小反射损耗。(i)样品的最小反射损耗和有效吸收带宽的对比。

IV 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(图5)。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。

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图5.CST模拟仿真结果。(a)PEC基底和(b)涂覆Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe的PEC三维RCS图。(c)模拟样品在一定测试角度下的RCS值。(d)涂覆Fe₃O₄-Fe@CNFs/Al-Fe₃O₄-Fe涂层的飞机示意图。(e)水平极化和(f)垂直极化下飞机在10 GHz的前视RCS图。(g)水平极化和(h)垂直极化下,飞机在10 GHz时的俯视RCS图。

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。

作者简介

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鹿现永

本文通讯作者

北京航空航天大学 副教授

主要研究领域

(1)高性能电磁吸波材料;(2)航空航天用仿生纳米纤维复合材料;(3)耐极端环境高分子复合材料。

个人简介

副教授,博士生导师。迄今在国内外学术杂志发表论文20余篇,申请美国专利2项,中国专利12项。作为负责人承担并顺利结题国家自然基金项目2项。承担学校重点教改项目2项。在职期间荣获2016北航教学成果奖二等奖;2019年北航教学成果奖二等奖;2020年北航教学成果奖;2017,2018北航教学优秀奖二等奖;北京市大学生化学实验竞赛指导教师:特等奖2项,一等奖8项,二等奖2项。以第一作者或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.,Nano-Micro Lett.,Small.,J. Mater. Sci. Technol.,J. Mater. Chem. A,Nano research,ACS Applied Bio Materials,ACS Appl. Mater. Interfaces等发表高水平科研论文,此外,发表教学论文十余篇。

Email:xylu@buaa.edu.cn

撰稿原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2022JCR影响因子为 26.6,学科排名Q1区前5%,期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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