随着通信设备的飞速发展，各种电子设备应运而生，其产生的电磁污染或干扰不仅影响了设备的正常工作及人类的生活，也严重威胁了人类和生物的健康，因此亟需开发出高性能的吸波材料。

传统的微纳尺度吸波剂在基体中呈现随机分布，吸波性能的优化往往是介电损耗与阻抗匹配性能相互牵制的结果。由于材料的介电参数、欧姆损耗和极化弛豫损耗均是温度的函数，在室温下具有良好吸波性能的材料随着温度的升高，由于电导率的增加会导致材料阻抗失配，难以实现高温条件下吸波性能的进一步提高。因此，如何在宽温域范围内实现阻抗匹配及损耗能力的提升是高温吸波领域亟待解决的问题。 

近日，河南大学龚春红教授团队在期刊《Nano Research》上，发表了最新研究成果“Flexible regulation engineering of titanium nitride nanofibrous membranes for efficient electromagnetic microwave absorption in wide temperature spectrum”。 研究者以氮化钛(TiN)纳米纤维为研究对象，通过对其柔性进行调控，系统的研究了宽温域条件下TiN纳米纤维/硅橡胶复合材料的介电及吸波性能。结果表明，与未掺杂原始氮化钛纤维相比，借助锆元素的掺杂，氮化钛纤维的柔性显著提升，使其以纤维膜的状态分布在硅橡胶基体中。

在室温时丰富的局域导电损耗和极化损耗共同提高了材料的电磁损耗能力，在高温时局部导电损耗的温度正效应可以有效补偿极化损耗的负温度效应，从而获得有效的高温介电响应。得益于柔性调节工程引起的协同损耗能力，复合材料中功能单元的离散分布模式有利于突破传统吸波材料中介电损耗性能与阻抗匹配性能之间的相互牵制，使复合材料在宽温域条件下均满足阻抗匹配性能要求，并在298 ~ 573 K的宽温域范围表现出优异的吸波性能。该研究为解决宽温域条件下良好阻抗匹配和强损耗能力的共存问题提供了一种有效策略。

图1：柔性氮化钛纳米纤维的制备示意图及不同柔性氮化钛纳米纤维膜的光学照片。

图2 不同柔性氮化钛纳米纤维的扫描及透射照片及其在PDMS基体中的分散及分布状态。

图3 不同柔性氮化钛纳米纤维复合材料的介电性能及导电性能。

通过静电纺丝技术和氮化煅烧制备氮化钛(TiN)纳米纤维，通过掺杂不同含量的锆元素，改变TiN纳米纤维的柔性（图1）。柔性TiN纳米纤维以纤维膜的状态离散分布在硅橡胶基体中，进而获得较好的阻抗匹配性能（图2）。纳米纤维膜的存在引入了丰富的异质界面和局域导电网络，常温时局域导电损耗和极化损耗具有较好的协同作用，高温时局域导电损耗的温度正效应和极化损耗的温度负效应具有较好的相互补偿效应，从而实现在宽温域范围内具有较强的损耗能力和优异的吸波性能（图3）。该研究实现了在宽温域条件下，良好的阻抗匹配和较强的损耗能力对吸波性能的有效调控，为宽温域吸波材料的结构设计提供了新的途径。

图4 柔性TiN纳米纤维以纤维膜的状态分布在硅橡胶基体中，丰富的局域导电网络产生高的导电损耗可以补偿在高温条件下降低的极化损耗，进而实现宽温域条件下阻抗匹配及吸波性能的优化。  

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6350-2

通讯作者：龚春红，教授，博士生导师，中国材料研究学会超材料分会首届理事会理事，中国电子材料行业协会电磁防护分会首届理事会理事，中国材料研究学会智能传感功能材料与器件分会首届委员会委员，河南省省涂料协会专家委员会委员，河南省高等学校青年骨干教师。2014至2015年以国家公派访问学者身份在澳大利亚南澳大学进行访问交流。主持国家自然科学基金项目3项，其他省部级及横向课题多项。主要从事纳米材料的结构设计、宏量制备及其在宽温域电磁防护材料领域的研究，近年来，在Nano Research, J. Mater. Sci. Technol., J. Mater. Chem., Composites Part B, J. Phys. Chem. C, Appl. Phys. Lett., Nanotechnology等国内外学术期刊发表论文50余篇。