青岛大学吴广磊: 多组分纳米颗粒协同一维纤维异质结构作为高效电磁波吸收剂

在过去的几十年里，大量的电子设备丰富了人们的生活。然而，大量的电磁辐射不仅污染环境，同时危害着人类的神经系统。探索高效的电磁波吸收材料是应对微波辐射、电子安全和军事防御等电磁波问题的有效手段之一。理想的电磁波吸收器应当使电磁波透过其内部并增强电磁微波能量的耗散。因此，研制和探索具有“强吸收、低反射、薄厚度”特点的电磁波吸收材料，成为了科研人员对付电磁辐射的重要手段。但是，复合材料结构设计及低成本投入仍是限制电磁波吸收材料发展的难点和重点。

Multicomponent nanoparticles synergistic one-dimensional nanofibers as heterostructure absorbers for tunable and efficient microwave absorption

Chenxi Wang, Yue Liu, Zirui Jia, Wanru Zhao, Guanglei Wu*

Nano-Micro Letters (2023)15: 13

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00986-3

1. 通过静电纺丝将CoSnO₃金属颗粒包裹在纳米纤维内部，预氧化及高温热碳还原制备一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维。

2. 大量项链状纤维束具有丰富的界面极化以及Co₃SnC₀.₇颗粒带来的磁损耗能够进一步提高材料的电磁吸波性能。

3. 高纵横比的Co₃SnC₀.₇/CNF一维复合材料具有高效的电磁吸收性能，在2.3 mm厚度下最小反射损耗可达-51.7 dB， 2.3 mm处的最大有效吸收带宽可达7.44 GHz。

青岛大学吴广磊教授课题组通过静电纺丝和碳热还原处理成功地制备了CoSnO₃/PANF衍生的一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维复合材料。由于出色的电导损耗、丰富的极化损耗以及增强的磁损耗能力，使Co₃SnC₀.₇/CNF复合材料展现出优异的电磁波吸收性能。最小反射损耗值(RLmin)在2.3 mm时达到了-51.7 dB，同时在2.5 mm时最大吸收带宽(EAB，RL≤-10 dB)达到7.44 GHz。

图1. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的制备流程图。

图2. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维系列材料的SEM图: a) CoSnO₃/PANF，b) CoSnO₃/PANF预氧化，c) Co₃SnC₀.₇/CNF-700，d) Co₃SnC₀.₇/CNF-900，e) Co₃SnC₀.₇/CNF-800，f) Co₃SnC₀.₇/CNF-800的元素映射。

图3. Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的XPS光谱：a) 全谱，b) C 1s，c) Co 2p，d) Sn 3d。

基于经典电磁波理论可对复合材料的相对复介电常数和复磁导率进行计算来得到Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维系列复合材料的反射损耗特性(图4)。其中CoSnO₃/PANF的最小反射损耗值为-17.8 dB，最大有效带宽也未达到预期，这源于样品本身较差的介电性能与磁性能。而经不同温度碳化后，一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维性能得到极大提升，800 ℃下Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维最小反射损耗值为-51.7 dB，对应厚度为2.3 mm，更在2.5 mm的匹配厚度下，有效吸收带宽达到了7.44 GHz，这是在多种损耗机制的相互搭配下，除了出色的电导损耗和极化损耗之外，自然共振损耗也十分出色。

图4. 在2-18 GHz频率下的3维反射损耗图及2维带宽图：(a1，a2) CoSnO₃/PANF, (b1，b2) Co₃SnC₀.₇/CNF-700, (c1，c2) Co₃SnC₀.₇/CNF-800, (d1，d2) Co₃SnC₀.₇/CNF-900。

III 电磁波吸收机理

图5. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的电磁波吸收机理示意图。