5G技术的广泛应用和日新月异的电子设备在推进人类社会进入智能化时代的同时，所引发的电磁辐射和电磁污染等问题亟待解决。高效的电磁波吸收器能够成为抑制电磁波污染的中流砥柱，对于其研究已然成为解决快速发展的电子信息时代中产生的电磁波污染的研究热点，电磁波吸收技术得以在军用和民用领域大展拳脚。电磁波吸收材料的吸波行为很大程度上取决于材料的电磁参数和阻抗匹配特性，通过调节复合材料的结构和组分使其实现优异的电磁波吸收性能至关重要。
近日，青岛大学材料科学与工程学院吴广磊教授课题组在期刊《Small》上发表了最新研究成果“Porous Structure Fibers Based on Multi-Element Heterogeneous Components for Optimized Electromagnetic Wave Absorption and Self-Anticorrosion Performance”。吴广磊教授团队从结构设计与组分调控入手，通过静电纺丝技术、一锅水热合成法以及高温煅烧催化法制备了一系列磁性纳米粒子催化碳纳米管生长在纤维上的复合材料，并进一步优化了材料的电磁波吸收性能。复合材料Ni/Co/CrN/CNTs-CF （P3C NiCrN12） 具有最佳的电磁波吸收性能，当厚度为2.2 mm时，最小反射损耗值（RLmin）为-56.18 dB，厚度为2.1 mm时，最大有效吸收带宽（EBAmax）为5.76 GHz。此外，该材料表现出值得称赞的防腐蚀特性。这项工作有望为进一步开发和设计电磁波吸收器提供一种新策略。
图1样品的合成过程和形貌变化示意图。
样品的合成过程如图1所示，根据配制的纺丝液类型的不同，利用静电纺丝技术制备了三种不同的纤维膜。探究了纤维膜在高温煅烧过程中所形成的孔洞结构，以及磁性颗粒的含量对碳纳米管生长的影响，进而对样品的吸波性能的影响。此外，还探究了三聚氰胺对材料的电磁波吸收性能的影响。纤维膜在高温煅烧过程中，形成了Ni、Co金属单质，它们在碳纳米管的生长过程中起着关键作用。双氰胺作为碳源和氮源，在高温下分解形成含有氮元素的碳纳米管生长在碳纤维表面。
图2样品P3C NiCrN12和P3C NiCrN2的扫描电镜图像，以及它们的EDS元素图谱。
图2为样品的SEM图像，可以看出CNTs-CF形貌的成功制备。由于LDH均匀负载在碳纤维上，使得在后续的高温煅烧过程中CNTs能够在碳纤维上均匀生长。此外，加入了三聚氰胺的碳纤维经高温煅烧后，内部呈现孔洞结构。同时，F-离子的掺杂可以抑制金属颗粒的聚集，使金属颗粒分散均匀，保证碳纳米管在纤维上均匀生长。
图3样品P3C NiCrN12和P3C NiCrN2的透射电镜图像。
图3所示的P3C NiCrN12和P3C NiCrN2的TEM图像揭示了中空CNTs在碳纤维上的均匀分布，磁性颗粒封装在CNTs内部。图3a1、b1所示的HR-TEM图像揭示了材料形成了有序的碳层，表明碳具有良好的结晶度。磁性颗粒的引入增强了材料的石墨化程度，从而改善了传导损耗。在图3（a1）中，由于存在多种不同类型的晶格，导致在区域A1和A2之间形成了异质界面。该界面促进了材料缺陷的形成和捕获电荷载流子，从而增强了介电损耗能力。
图4样品P3C NiCrN12和P3C NiCrN2的XPS图像。
图4为材料的XPS结果分析，C 1s能谱揭示了三个不同的峰（图4b，h），分别位于P3C NiCrN12的289.3 eV、285.5 eV、284.7 eV和P3C NiCrN2的288.7 eV、286.6 eV、284.7 eV处。在N 1s能谱（图4c，i）中，样品P3C NiCrN12的四个可辨别峰位于405.5 eV、402.8 eV、401 eV和398.8 eV处对应于M-N、石墨N、吡咯N和吡啶N，占比8%、12.5%、39.6%和47.9%。P3C NiCrN2的可辨别峰在404.5 eV、402.5 eV、400.9 eV、398.9 eV处对应于M-N、石墨N、吡咯N和吡啶N，分别占26.5%、31.2%、20.1%和22.2%。在Cr 2p（图4d，j）能谱中，P3C NiCrN12的拟合峰位于585.2 eV和576.2 eV，而P3C NiCrN2的拟合峰位于587.7 eV和578.1 eV，分别对应于Cr 2p1/2和Cr 2p3/2。对于Co 2p（图4f，l）能谱，样品P3C NiCrN12的拟合峰位于807.3 eV和780.8 eV，而样品P3C NiCrN2的拟合峰位于807.6 eV和785 eV，分别对应于Co2+ 2p1/2和Co2+ 2p3/2。
图5各个样品的3D反射损耗及3D反射损耗投影图。
图5（a）-（f）为该体系复合材料的3D反射损耗图，及相应的反射损耗投影图（a1）-（f1）。其中，样品P3C NiCrN12在厚度为2.2 mm处具有最小反射损耗值-56.18 dB，在2.1 mm处的最大有效吸收带宽为5.76 GHz。根据（a）和（b）、（c）和（d）、（e）和（f）复合材料的性能比较，可以观察到，降低F-离子的掺杂水平会导致材料的电磁波吸收性能降低。F-离子的高电负性在C和N之间产生了显著的电负性对比，改变了周围的电子云和电子结构。这有利于捕获载流子，扩大材料的吸收频率范围，提高材料的电磁波吸收性能。此外，磁性金属颗粒含量的减少导致材料性能下降。这可以归因于在外界磁场的影响下产生的涡流损耗会影响材料的磁损耗能力。当存在足够的碳源时，磁性颗粒的减少将导致催化的碳纳米管减少。碳纳米管的特殊表面特性对于促进磁性金属颗粒的改性和负载，调节材料的阻抗匹配和色散性能，影响其电磁波吸收性能起着至关重要的作用。
图6各个样品的介电参数及其电磁波吸收性能对比图。
图6（a）-（d）对样品的电磁波吸收性能进行了综合对比，直观地体现了不同样品的最小反射损耗以及相应的厚度情况。图6（e）-（j）反映了各个样品的电磁参数在2-18GHz内的变化趋势。其中，样品P3C NiCrN12的介电损耗角正切值在0.38-0.62范围内波动。由于碳纳米管的存在增强了材料的介电损耗。同时，较多的异质组分和F-离子掺杂协同作用使其展显出优异的介电损耗性能。
图7该体系的电磁波吸收机理图。
图7为本研究所制备的复合材料的电磁波吸收机理图。在介电损耗方面，碳纤维的纵横交错以及碳纳米管在纤维上的均匀分布构建了导电网络。这不仅改变了电子的传输路径，而且为自由电子的迁移和跳跃提供了条件。此外，复合材料各组分之间的电负性差异会引起偶极极化，进一步增强材料的介电损耗能力。特别值得注意的是，复合材料中形成许多异质界面会导致晶格失配和大量缺陷的存在。这些缺陷有利于捕获电荷载流子和形成极化中心，进而使介电损耗能力增强。有关磁损耗，磁性粒子通过触发电磁波的固有磁共振来吸收和转换电磁波能量。当暴露在交变电磁场中时，磁性纳米粒子通过自然共振阻尼衰减电磁波能量。同时，磁性颗粒的加入可以增强材料的磁导率，从而增强涡流损耗并增加其磁损耗的可能性。
图8各个样品的电化学测试结果。
图8为此体系中复合材料P3C NiCrN12的防腐蚀性能测试与分析。首先，加入一定量的溶剂使环氧树脂与材料充分混合。随后，在完全固化之前，将混合物作为涂层涂覆到Q235钢表面。然后，将涂有复合涂层的Q235钢浸入海水溶液中，持续时间为0、6、12 和20天。采用电化学工作站CHI760E进行电化学测试，得到所需实验数据。此外，还将纯Q235钢与具有复合涂层的Q235钢的性能进行了对比。最终得到电化学阻抗谱（EIS）测试结果，阻抗模量随频率的变化趋势，以及通过拟合Tafel曲线所确定的腐蚀电流和腐蚀电压值。结果表明，在经过了20天的腐蚀过程后，具有复合涂层的Q235钢的防腐蚀性能仍优于纯Q235钢。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202403689
通讯作者简介：
贾梓睿
青岛大学 副教授
主要研究领域
主要从事新型电磁屏蔽复合材料、高导热绝缘及电磁相关材料的设计及开发，着重于微观结构、异质界面以及多组分的协同作用对电磁材料行为的影响规律。
主要研究成果
青岛大学第四层次特聘教授，硕士生导师。主持国家自然科学基金青年基金项目1项、产学研横向项目1项和青岛大学特聘教授启动人才项目。以第一作者或通讯作者身份在Nano-Micro Lett.，Nano Res.，J. Mater. Sci. Technol.，Adv. Funct. Mater., Carbon等发表高水平科研论文50余篇，其中高被引ESI论文7篇，热点论文2篇，总影响因子大于400，他引次数4000余次，授权国家发明专利2项；并担任国际期刊Adv Funct Mater、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Composites Science & Technology、J Mater Sci Technol、Composites Part B、Chem Eng J等期刊特约审稿人等学术职务。
Email: jiaziruiqdu@163.com/jiazirui@qdu.edu.cn
个人主页：http://hxhg.qdu.edu.cn/info/1037/2483.htm
吴广磊
青岛大学 教授
主要研究成果
教授，山东省泰山学者青年专家，山东省优青，山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人，青岛大学第二层次特聘教授，博士生导师。作为项目负责人，已主持包含国家自然科学基金面上项目、泰山学者青年专家项目、山东省省优秀基金项目等纵向科研项目10余项；主持工程电介质教育部国家重点实验室开放课题重点项目1项；主持产学研横向项目3项；至今在Nat. Commun, Adv Funct Mater, Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J., Small, Carbon, J. Mater. Sci. Technol.等发表高水平科研论文300余篇，其中以第一或通讯作者发表高水平科研论文200余篇，其中影响因子大于10的SCI论文150余篇，高被引ESI论文30余篇，杂志封面论文2篇，SCI他引共计23000余次，H指数96，i10指数260；授权国家发明专利5项；分别以第2位次和第4位次获省部级自然科学奖一等奖2项；连续入选2022年和2023年爱思唯尔“中国高被引学者”；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球顶尖前10万科学家榜单；担任Int. J. Miner. Metall. Mater.杂志编委及学科编辑、SusMat首届青年编委、J Mater Sci Technol 青年编委、Nano Research青年编委和Nano-Micro Letters青年编委。
Email: wuguanglei@qdu.edu.cn/wuguanglei@mail.xjtu.edu.cn
个人主页：http://clxy.qdu.edu.cn/info/1020/1239.htm
