信息技术的迅速发展导致了严重的电磁污染，电磁波（EMW）吸收材料因此受到越来越多的关注。面对电磁污染所带来的挑战，研究人员一直在积极探索不同环境温度下高性能EMW吸收材料。考虑到与电子设备相关的热效应及特定高温使用条件，对高温EMW吸波材料的研究和开发显得尤为迫切。在宽温域范围内具备稳定吸收性能的电磁波吸收材料，对于军事行动和民用生活均具有重要意义。
近日，河南大学龚春红教授团队在期刊《Journal of Materials Science & Technology》上，发表了最新研究成果“TiN Nanofiber Metacomposites for Efficient Electromagnetic Wave Absorption: Insights on Multiple Reflections and Scattering Effects”。研究者通过静电纺丝和预氧化-氮化工艺合成了柔性氮化钛/氧化锆/碳（TiN/ZrO2/C）纤维膜。然后将TiN/ZrO2/C切割成功能单元，与聚二甲基硅氧烷（PDMS）可控复合，这种新型的基元序列结构在诱导入射EMW产生多重反射和散射方面发挥了重要作用，制备流程如图1所示。
图1：实验过程示意图。
基于TiN陶瓷复合膜的柔性，制备了具有独特层次结构的超复合材料。这种方法有效地扩展了EMW的传输路径。当功能单元的含量低至10.0 wt.%时，复合材料在较宽的温度范围内（298 K - 573 K）表现出优异的EMW吸收性能，可归因于优异的阻抗匹配和衰减能力的协同效应。此外，复合材料在453 K时的最小反射损耗（RL）值为-51.7 dB，有效吸收带宽（EAB）可达2.3 GHz。该研究可为复杂高温条件下高衰减能力EMW吸波材料的设计提供参考。
图2：TiN/ZrO2/C纤维膜的扫描电镜图、透射电镜图及元素分布图。
随着碳含量的增加，纤维的直径逐渐减小（图2）。同时，由于前驱体纺丝液中PVP含量的增加，纺丝液粘度增大，导致纤维的长径比增大。此外，TiN/ZrO2/C纤维相互连接，构建了丰富的三维（3D）导电网络，这为EMW与TiN/ZrO2/C纤维膜相互作用提供了更多的机会，并提升了导电损耗。同时，三相之间明显的非均相界面会产生丰富的界面极化，从而提升极化损耗。
图3：TiN/ZrO2/C超复合材料的电磁参数及损耗角正切值。
图4：TiN/ZrO2/C超复合材料介电常数随温度变化趋势及Cole-Cole曲线。
如图3所示，随着填料含量的增加，介电常数和损耗角正切值呈逐渐增大的趋势，这是由于存在丰富的非均相界面和偶极子活性位点，有利于极化效应的增强。另一方面，PDMS基体中TZC纤维膜越多，越有利于形成局部导电网络，从而增强了导电损耗。图4中超复合材料都表现出明显的Cole-Cole半圆，表明存在显著的极化弛豫损耗。同时，TZC3-15和TZC3-20的Cole-Cole曲线呈现出较为明显的直尾，这主要是由于填料含量的增加导致了电导率的增强。
图5：TZC功能化超复合材料电场矢量分布模拟图。
为了进一步探索TZC功能超复合材料与电磁波之间的相互作用机制，模拟了在10 GHz频段的电场矢量分布。对于图5(b)中，TZC功能单元周围电场强度变化明显，表明EMW可以顺利进入模型，TZC功膜与EMW之间的相互作用较强，同时TZC膜之间存在明显的多重反射，有利于EMW的消散。然而，当周期单元中TZC膜的数量较低时，TZC膜与入射EMW的相互作用显著降低， EMW的吸收能力不足（图5（a））。此外，随着TZC膜填充量的增加，TZC膜之间的相互作用和周围的电场强度变弱（图5（c）），这主要归因于阻抗不匹配导致EMW反射在材料表面。因此，对超复合材料进行有序单元设计是调节材料吸波性能的有效策略。
Fig. 6：不同温度下TZC3-10的RCS仿真。
为了评估TZC膜在不同温度下的远场EMW吸收特性，对TZC3-10在10 GHz时不同温度下的雷达截面（RCS）进行模拟（图6）。从图6(a)-(d)三维RCS模拟可以看出，TZC3-10的散射信号明显降低，表明TZC膜的EMW吸收效果显著，同时，在473 K时，TZC3-10的RCS信号最低，表明其EMW吸收性能最佳。此外，图6(e)中模拟RCS值的二维曲线也证实了最佳的吸收特性，TZC在整个探测角度范围内几乎所有的RCS值都在-10 dBm2以下，同时，TZC3-10在473 K时的RCS值最低。
图7：TiN/ZrO2/C超复合材料的反射损耗、阻抗匹配和衰减常数。
如图7所示，TZC3-10具有最佳的EMW吸收性能，由于阻抗匹配和衰减常数的协同作用，在10.2 GHz和453 K时，最小RL可达-51.7 dB。此外，其自身的周期性有序排列结构有效地扩展了EMW的传输路径，并产生了多次反射和散射。因此，通过合理调节基体中功能单元的填充比例，可以获得高效能的电磁波吸收材料。面向复杂多变的高温环境，本研究致力于吸波材料的开发与优化。通过设计具有周期性结构的超复合材料，以增强其电磁波吸收能力，本文为相关领域提供了宝贵的参考。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.046
人物简介：
龚春红，河南大学化学与分子科学学院教授，河南省特聘教授，中国材料研究学会超材料分会理事会理事，中国电子材料行业协会电磁防护分会理事会理事，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，中国材料研究学会智能传感功能材料与器件分会委员会委员，河南省高等学校青年骨干教师，河南省涂料行业协会专家委员会委员。主要从事纳米材料的结构设计、宏量制备及其在能量转化与宽温域电磁防护材料领域的应用研究，主持国家自然科学基金项目4项、各种省级项目及企业合作项目多项。近年来，在Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Nano-Micro Letters, J. Mater. Sci. Technol., Nano Research, J. Mater. Chem., Composites Part B, Materials Today Physics, Appl. Phys. Lett.等国内外期刊上发表SCI收录论文50余篇；指导本科生团队获得国家级，省级大学生创新项目10余项；获“河南省优秀博士论文奖”，“河南大学师德先进个人”奖励。
