博文

西北工业大学孔杰教授团队：从“分子基因”到“陶瓷铠甲”，分级结构实现宽频吸波与防腐协同精选

已有 5812 次阅读 2025-11-19 09:17 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Liu Z, He Z, Liu H, et al. Hierarchical SiBCNFe composite ceramics enabling broadband electromagnetic wave absorption and corrosion resistance. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221213

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221213

ResearchGate：Hierarchical SiBCNFe composite ceramics enabling broadband electromagnetic wave absorption and corrosion resistance

1、导读

现代通信与无线探测技术的飞速发展，对电磁波吸收材料提出了更严苛的要求：不仅需要在宽频范围内高效衰减电磁波，还必须承受海洋环境、高湿度、高温氧化等极端条件，实现结构稳定与化学惰性之间的协同。“宽带吸收”与“耐腐蚀性”并存的目标是当前材料设计的重要挑战。传统介电陶瓷具备优异的热稳定性和耐腐蚀性，但其本征高介电特性导致阻抗匹配调节能力受限，有效吸收带宽难以拓展；磁性材料能通过磁损耗机制有效拓宽吸收频带，却存在易氧化、易腐蚀等问题，难以在恶劣环境下保持性能稳定。

前驱体转化陶瓷（PDC）以前驱体分子可设计、组成与结构可调控等优势，为高性能陶瓷吸收剂开发提供了理想平台。通过在聚合物中引入过渡金属组分，理论上可融合介电与磁性损耗机制，实现宽频强吸收；前驱体热解转化陶瓷过程还具备构筑多级微纳结构潜力，有助于增强界面极化、多重散射与磁‑介电协同效应。然而，传统无模板PDC在热解过程中往往因表面能最小化机制，形成致密无特征的微观形貌，限制了多级结构与界面效应的形成，制约其性能进一步提升。

突破该瓶颈的关键在于发展能够同步实现磁性元素均匀引入与热解结构精准调控的前驱体分子设计策略。通过化学键合方式将磁性粒子直接嵌入聚合物主链，不仅可实现元素的分子级分散与交联度提升，更能在热解过程中引导形成均匀、可控的多级结构，为兼具宽带吸收性能与优异防腐性能的新一代电磁波吸收材料开辟了新途径。西北工业大学孔杰教授团队在跨尺度防腐宽频吸波SiBCN基陶瓷分级结构设计与构筑技术领域取得重要进展，相关工作以《Hierarchical SiBCNFe composite ceramics enabling broadband electromagnetic wave absorption and corrosion resistance》为题发表于Journal of Advanced Ceramics上（https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221213）。

该工作提出了一种基于前驱体交联化学的分级复合陶瓷（h-SiBCNFe）的设计与合成方法,实现了从“分子基因”到“陶瓷铠甲”的突破。通过Fe(acac)₃与聚硼氮硅烷（PBSZ）中Si–H键的二次交联，实现了Fe元素的均匀引入。在随后的热解过程中得到的陶瓷展现出独特的蘑菇状分级结构：碳纳米管“伞柄”从陶瓷颗粒中生长，而“伞盖”则由碳包覆的Fe_xSi_y纳米颗粒组成。团队发现这些特性协同作用实现了宽带电磁波吸收（有效吸收带宽EAB = 8.16 GHz，最小反射损耗RL_min = -32.3 dB）与优异耐腐蚀性（腐蚀电流密度I_corr = 0.63 μA·cm^-2，腐蚀电位E_corr = 0.033 V）的结合。

2、研究结果及结论

本研究通过聚合物衍生陶瓷法制备h-SiBCNFe陶瓷。首先经硼氢化与缩聚合成含Si-H键的PBSZ前驱体，继而通过与Fe(acac)₃反应构建Si-O-Fe交联结构。该前驱体在热解过程中，Si-O-Fe键分解重组，最终在非晶SiBCN基体内原位生成均匀分散的纳米Fe_xSi_y相，实现了成分与结构的精准调控。

图1. h-SiBCNFe陶瓷的合成路径与微观形貌。

基于显微分析，h-SiBCNFe-1300°C样品呈现独特的“蘑菇”状微观形貌，其核壳单元由FeSi磁相内核与致密石墨碳外层构成。HRTEM显示清晰的0.33 nm石墨(002)层间距及0.20/0.32 nm的Fe₃Si晶格条纹。该多级异质结构通过界面极化、缺陷极化和磁耦合协同作用，赋予材料优异电磁波吸收与耐腐蚀性能，满足海洋环境长效服役需求

h-SiBCNFe陶瓷的电磁波吸收性能随热解温度升高而增强，1300℃样品表现最优，其在2.0 mm厚度时反射损耗为-32.2 dB，2.7 mm时吸收带宽达8.16 GHz。第一性原理计算表明，C与Fe₃Si的功函数差异（5.37 eV vs 4.68 eV）引发电子迁移，形成由Fe₃Si指向C的内建电场，诱导界面/偶极极化及1.329 e电荷转移，协同提升介电与导电损耗，优化吸波性能。RCS模拟显示其减缩值达18.0 dB·m²，展现出良好应用前景。

图2. h-SiBCNFe陶瓷的吸波性能评价。

在模拟海洋环境中，h-SiBCNFe陶瓷展现出优异耐腐蚀性，其腐蚀电流密度（0.6295 μA/cm²）显著低于羰基铁粉，极化电阻提升三倍以上。DFT计算表明，Cl⁻在材料表面吸附能为+0.23 eV，难以吸附，证实致密石墨碳层有效阻隔腐蚀介质，揭示了其耐腐蚀机制。该材料兼具吸波与防腐能力，适用于海洋环境长效服役。

图3. h-SiBCNFe陶瓷在模拟海水中的电化学表征及吸附能计算数据。

综上，本研究成功制备了具有分级C@Fe_xSi_y@SiBCN结构的SiBCNFe陶瓷。该材料通过界面极化、介电-磁耦合及独特蘑菇状形貌引发的多重散射，实现了防腐宽频吸波特性，展现出在严苛环境下的应用潜力。本工作表明，曾被认为难以调控的复杂PDC结构，实际上可以在前驱体合成阶段有意编码，由此得到的h-SiBCNFe不仅是一种适用于腐蚀环境下宽带微波吸收的实用材料，更代表了多功能陶瓷结构设计的概念性进展。该策略为发展兼具耐久性与宽带吸收性能的陶瓷吸收材料开辟了新的途径，具有在航空航天、通信等领域中的重要应用潜力。

3、通讯作者介绍

孔杰，教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，陕西省“三秦学者”特聘教授及创新团队带头人，英国材料矿物与矿业学会会士，入选“科睿唯安”全球高被引科学家。主要从事超支化高分子合成及在高温吸波材料、透波介电材料、吸波超材料中应用研究，主持国家杰青项目、联合基金重点项目、国家重大专项专题、国家重点研发计划课题等重点类项目4项，国家级项目7项；以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Macromolecules等期刊发表论文200余篇，引用24000余次，授权发明专利50余件；获教育部技术发明二等奖（排名第1）、中国轻工业联合会技术发明一等奖等省部级奖8项；现担任材料基因工程与智能科学国家”一带一路“联合实验室主任、中国复合材料学会电磁复合材料分会主任等。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。