第五代(5G)无线通信技术的持续进步已将世界带入智能时代。但电子通信技术的广泛应用不可避免地会产生电磁辐射。因此，探索能够有效将电磁波耗散为热能的电磁波吸收体被认为是一种可行的解决方案。然而，面对电磁污染的多变性，开发具有自保护特性和高吸收能力的电磁波（EW）吸收材料仍然是一项具有挑战性的任务。
近日，湖北汽车工业学院兰笛副教授和青岛大学吴广磊教授团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Component-based modulation engineering to improve magnetoelectric coupling for self-anticorrosion broadband absorption”。研究者通过静电纺丝技术将立方 NiCoFe-PBA 嵌入纤维中，并利用碳在高温下的还原性制备了NiCoFe@CNFs复合材料。由于碳纤维固有的高导电性和结构设计，高密度交织的导电网络极大地促进了电子传输，从而提高了材料的介电损耗性能。此外，通过控制组分产生的界面极化来优化阻抗匹配，使复合材料获得了优异的自防腐和电磁波吸收性能。在 2.3 mm 的匹配厚度下，NiCoFe@CNFs 的最小反射损耗（RL min）为－74.6 dB。其最大有效吸收带宽（EAB max）为 7.68 GHz，对应的厚度为 2.7 mm。此外，雷达散射截面积（RCS）的计算表明，所制备的NiCoFe@CNFs在军事隐身保护技术的实际应用中具有巨大潜力。
图1 NiCoFe@CNFs 复合材料的制备流程和形貌
如图1所示，通过简单的溶液共沉淀法合成了从二元到三元的多种 PBA。首先，柠檬酸根离子与金属离子发生配位反应。然后，柠檬酸络合的金属离子与羟基反应形成内核。最后，晶体生长并形成NiCoFe-PBA前驱体。随后将PAN和NiCoFe-PBA加入到DMF中制备纺丝液，通过静电纺丝获得灰色纤维布，在低温下进行预氧化，然后通过高温煅烧工艺获得NiCoFe@CNFs复合材料。
此外，合成的NiCoFe-PBA具有相对均匀的分布，并且其立方块状结构的直径在40–70 nm范围内。碳化纤维形成丰富的交错导电碳网络，纤维直径范围为80至120 nm。可以看出，NiFe 和 CoFe 合金已成功被封装在碳纤维内部，并保留了原始的立方结构，晶格条纹的晶面间距分别为0.207 nm和0.201 nm。NiCoFe@CNFs，NiCoFe合金包裹在纤维内部，并具有良好的分散性，这有助于提高电导率并促进传导损耗。碳纤维和磁性颗粒之间存在大量非均匀界面会诱导界面极化。同时，具有强磁损耗的MEA会诱导磁耦合，这两种机制协同作用以提高衰减能力。
图2 NaCl 溶液中各种复合材料的电化学表征
如图2所示，NiCoFe@CNFs 的自腐蚀趋势最低。腐蚀电压越高，腐蚀电流越低，耐腐蚀性越好。Tefel 曲线显示 NiCoFe@CNFs 具有最高的腐蚀电压和较低的腐蚀电流，显示出较强的自腐蚀能力。这种防腐性能的本质源于碳纤维的保护作用。交错的碳纤维结构具有较大的比表面积，石墨化的碳壳层在自腐蚀抗力方面发挥着积极作用，并对腐蚀介质产生“迷宫效应”，延缓其腐蚀路径。
图3 NiCoFe@CNFs、NiFe@CNFs、CoFe@CNFs的电磁波吸收性能
实验结果表明，经过静电纺丝处理的样品性能优于未经过静电纺丝处理的样品。在所有样品中，NiCoFe@CNFs表现出最佳性能。这是因为丰富的导电网络促进了电子跃迁和迁移，从而引起传导损耗。在此基础上，磁性粒子的引入增加了复合材料体系的磁损耗。因此，实现了介电损耗和磁损耗的协同效应。结果表明，通过结构和成分调控，本工作获得了优异的电磁波衰减性能。
图4：（a-f）电磁参数。（g-i） NiCoFe@CNFs、NiFe@CNFs、CoFe@CNFs的介电损耗和磁损耗曲线
图 5：（a-f）各种复合材料的 Cole-Cole 曲线，（g） 衰减常数，（h） 阻抗匹配，（i） 各种复合材料的 C0。
图 6：NiCoFe@CNFs 的吸收机制示意图。
总而言之，本文通过简单的溶液共沉淀、静电纺丝和热还原工艺，实现了将NiCoFe合金封装在碳纤维内部。它受益于极化损耗和磁损耗等多种损耗机制，从而共同衰减电磁波。因此，所制备的复合材料具有优异的电磁波吸收性能。丰富的交错碳纤维促进了电磁波的多次反射和散射。同时，引入NiCoFe MEA后，复合材料的磁损耗得到增强，与此同时，致密的石墨化碳不仅可以防止中熵合金的氧化过程，而且赋予复合材料优异的自抗腐蚀性能。本研究扩展了一维材料在电磁波吸收和自抗腐蚀方面的应用，为高效电磁波吸收和自抗腐蚀复合材料的设计提供指导。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622325003410
人物简介：
兰笛，湖北汽车工业学院副教授。以第一/通讯作者先后在Small，Journal of Materials Science & Technology， Chemical Engineering Journal，Carbon，Composites Part B: Engineering 等杂志发表吸波材料相关 SCI 论文30余篇，其中包含20余篇ESI高被引或热点论文。SCI被引总计6000余次，H指数50+，参编 Elsevier材料学书籍专著1部，入选2023、2024 全球前2%顶尖科学家（爱思唯尔联合斯坦福大学发布）。担任Materials电磁吸波领域专刊客座主编，以及 Advanced Materials，Advanced Science，Advanced Functional Materials，Small，Carbon 等 30 多个 SCI 期刊审稿人。
