蘇州納米所構(gòu)建出梯度彌散結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌空心碳納米球殼層助力高效電磁波吸收
隨著通信技術(shù)的普及應(yīng)用，電磁污染已成為人類日常生活的主要污染之一，兼具“強、寬、輕、薄”特性的電磁波吸收材料的研制迫在眉睫。碳基吸波材料由于其輕質(zhì)、耐腐蝕和適當(dāng)?shù)慕殡娦阅?/span>等特性被認為是理想的吸波材料之一，但單一的碳基吸波材料存在阻抗匹配性較差、吸收頻段較窄的缺點。因此，將異質(zhì)組分以梯度結(jié)構(gòu)與碳基材料結(jié)合，形成多組分、多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控策略是解決該問題的有效方法之一。然而，目前梯度組分的引入存在步驟復(fù)雜、耗時耗能的問題，且鮮有針對納米尺度梯度結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計和微波吸收機制的報道?；诖?，蘇州納米所基于競爭反應(yīng)策略在空心碳殼層中構(gòu)建了納米尺度的梯度彌散結(jié)構(gòu)（Air@G-Fe/C），在電磁波吸收性能方面顯示出突出優(yōu)勢，為納米尺度梯度分布的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種新的方案。
圖1. Air@G-Fe/C納米球制備流程和電磁波調(diào)控機制示意圖
一、Air@G-Fe/C納米球結(jié)構(gòu)分析
圖2. Air@G-Fe/C納米球和前驅(qū)體的形貌與結(jié)構(gòu)分析
工作首先對制備的Air@G-Fe/C納米球進行了結(jié)構(gòu)分析。研究表明，Air@G-Fe/C納米球與前驅(qū)體都表現(xiàn)出Fe元素的梯度分布特性，且在SiO2模板表面形成了均勻的包覆。離軸電子全息成像分析顯示在正偏壓下Air@G-Fe/C納米球的靜電勢會呈現(xiàn)出多層同心環(huán)效應(yīng)，形成大量的從內(nèi)部到外部的極化現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的均勻彌散結(jié)構(gòu)相比，這種超細鐵顆粒在中空碳殼中形成的梯度嵌入結(jié)構(gòu)有利于同時改善界面極化，增強電磁波反射損耗和提高阻抗匹配。
二、Air@G-Fe/C納米球吸波性能分析
圖3. 不同Air@G-Fe/C納米球吸波性能分析
研究結(jié)果顯示，Air@G-Fe/C納米球在15.8 GHz和1.95 mm厚度時，電磁波吸收強度達到-62.7 dB，有效吸收帶寬達到6.4 GHz，覆蓋了整個C波段、X波段和Ku波段。通過調(diào)節(jié)Air@G-Fe/C納米球中Fe納米粒子的分布特性，可有效的提高其電磁波吸收強度和吸收帶寬。相較于傳統(tǒng)的梯度分布結(jié)構(gòu)，本工作在吸收強度、有效吸收帶寬、結(jié)構(gòu)調(diào)控精度和輕質(zhì)特性等方面都展現(xiàn)出性能優(yōu)勢。
三、Air@G-Fe/C納米球吸波機制研究
圖4 不同Air@G-Fe/C納米球電磁參數(shù)分析
進一步地，工作還對Air@G-Fe/C納米球吸波機制開展了研究。電磁波吸收主要依賴介電損耗、磁損耗和阻抗匹配等特性的協(xié)同作用。本工作發(fā)現(xiàn)由于電子在3D互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米碳殼中的遷移，介電損耗成為Air@G-Fe/C納米球的主要吸波機制，而電導(dǎo)損耗又主導(dǎo)了介電損耗過程。研究表明，借助鐵納米顆粒的梯度分布設(shè)計，會造成電導(dǎo)率的逐漸增加，進而引起電磁波的多重反射效應(yīng)，有效的提高Air@G-Fe/C納米球的阻抗匹配特性。
該研究工作提出了一種具有梯度分布結(jié)構(gòu)和微波吸收可調(diào)的納米空心碳球吸波材料的制備方法，為新型微波吸收材料的設(shè)計、研究和實際使用提供了新的方案。相關(guān)工作以Hollow Gradient-Structured Iron Anchored Carbon Nanospheres for Enhanced Electromagnetic Wave Absorption為題發(fā)表于Nano-Micro Letters，論文的第一作者是中科院蘇州納米所博士后吳操博士，通訊作者是蘇州納米所康黎星研究員、張永毅研究員和李清文研究員。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金和江蘇省博士后科研基金等項目資助。
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