隨著技術的飛速發展和電子通信設備的廣泛使用，微波的幹擾和輻射已成為不可忽視的問題。引起的電磁汙染可能對人體健康和精密電子設備的運行造成不利影響。為了解決這些問題，設計和製備各種頻率帶寬的微波吸收材料一直是研究的重點。理想的吸波材料應具有出色的綜合特性，例如超寬吸收帶寬，強吸收，重量輕和厚度薄。
迄今為止，已經有許多方法可以調節微波吸收材料的阻抗匹配並改善反射損耗（RL）。其中，優化材料的組成和結構成為近年來的熱點。將磁性納米顆粒引入介電損耗材料是一種有效的方法。這種複合材料具有以下優點：（1）磁性納米粒子可以成為材料界面的極化中心。偶極極化和界面極化能提高吸波性能。（2）磁性納米粒子具有納米級和大表面積的優點，導致入射微波的散射。（3）介電損耗和磁損耗的互補性有利於實現適當的阻抗匹配並改善吸波性能。空間限域效應有利於微波的耗散，目前已開發出具有撥浪鼓狀，多殼或管狀結構的吸波材料。入射微波將被有效吸收，因為它可以在腔體內多次反射。
近日，西北工業大學張寶亮（通訊作者）等研究人員通過前驅體單步熱解過程設計製備出一種新型的具有多層異質結構的微波吸收材料（TCF@Fe3O4@NCLs）。基於介電/磁損耗雙重協同效應，多層異質結構和導電網絡的引入，TCF@Fe3O4@NCLs材料表現出優異的吸波性能，反射損耗（RL）值為-43.6 dB，有效吸收帶寬（EBA）為4.6 GHz（8.2-12.8 GHz），填充量為10 wt％，在吸波材料應用方面很有潛力。相關工作以「Fabrication of magnetic tubular fiber with multi-layer heterostructure and its microwave absorbing properties」為題發表在國際著名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.05.058
TCF@Fe3O4@NCLs是採用限域自縮聚、溶劑熱法和多巴胺（DA）聚合技術製備的。所獲得的材料是由嵌入型Fe3O4納米顆粒、分散型Fe3O4納米粒子以及氮摻雜碳層（NCL）組成的管狀碳納米纖維（TCF）結構。管狀碳納米纖維提供了主要的介電損耗。Fe3O4納米顆粒可顯著提高低頻微波吸收能力，並提供適當的磁損耗。NCL提高了電導率並促進了多重極化效應的產生，從而導致介電損耗增加。作者進一步闡明了電磁波吸收機理。
圖1.TCF@Fe3O4@NCLs材料製備過程的示意圖
TCF@Fe3O4@NCLs材料合成策略包括圖示四個步驟，它具有由Fe3O4以及從內部到外部的氮摻雜碳層。該材料的優點體現在以下幾個方面。多層異質結構有利於優化阻抗匹配。具有空腔的分層混合結構可以改善多重反射和界面極化效應。在摻氮碳層的保護下，Fe3O4納米顆粒的穩定性得到提高。氮摻雜導致表面缺陷並促進偶極子形成和界面極化。以上固有特性均有利於增強吸收體的微波吸收性能。
圖2. SEM與TEM表徵
用電子顯微鏡觀察產物的微觀形態，觀察到內部和外部都具有無機納米顆粒的管狀纖維。相比之下，很明顯FeCl3在PF@Fe3O4中佔據的位置碳化後聚集了更多的Fe3O4納米顆粒。表面上負載的Fe3O4的平均粒徑從7 nm增加到15 nm。
圖3. 反射損耗曲線：填充量分別為7.5wt％（a），10 wt％（b）和12.5 wt％（c）和15 wt％（d）
填充量為7.5 wt％，10 wt％，12.5 wt％和15 wt％的樣品的RL最大值分別為-21.4 dB（8.5 GHz，4 mm），-43.6 dB（9.9 GHz，3.3 mm），-31.7 dB（17.9 GHz, 1.9mm）和-15.1 dB（17.6 GHz，1.7mm）。RL最大值隨填充量增加先增加，然後減少。填充量為10wt％時，吸收性能最好。RL最大值朝著高頻方向移動，並且匹配厚度隨著負載的增加而減小。這種現象表明，可以通過改變填料的加入量來調節有效吸收帶寬。
圖4 吸波機理分析
吸波機理為：多層異質結構優化了吸收體的阻抗匹配。多個界面引入了更多的極化中心，觸發了多種極化效應，並進一步改善了介電損耗。由一維材料重疊形成的三維導電網絡可以增加電導損耗。磁性Fe3O4納米顆粒的引入提供了額外的磁損耗。磁損耗機制包括自然共振和渦流損耗。中空管狀結構，多孔結構和Fe3O4納米粒子引起多次散射和反射，有利於微波的吸收和耗散。
綜上所述，通過簡單的四步法製備了一種具有多層異質結構的新型微波吸收材料。對其進行了系統地分析和表徵。通過比較研究了每種成分對微波吸收性能的貢獻。除單一功能成分的性能外，合理的微觀結構和成分之間的協同效應是改善微波吸收的兩個重要因素。多孔二級結構的存在有利於入射微波的多次反射和散射。多層異質結構的界面引入的多重極化效應可以增加吸收體的介電損耗。由堆疊的一維材料形成的三維導電網絡會增加電導損耗，並且可以通過在2–18 GHz範圍內更改填充量來調整有效吸收帶寬。（文：嘉一）
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