​陝科大《國際陶瓷》優異電磁波吸收性能，獨特三層空心材料

2020-07-08 材料material

一、研究背景：


近年來，隨著科學技術的發展，電子設備已廣泛應用於人類的日常生活中，造成了嚴重的電磁輻射汙染。不斷惡化的電磁環境不僅會干擾電子設備的正常運行，還會影響人體健康。吸收材料是EM幹擾防護和EM輻射防護領域的關鍵材料之一，它們可以通過將入射的EM波轉換成其他形式的能量（例如機械能，電能和熱能）來消耗它們。然而，傳統的吸收材料由於其電磁吸收差且工作頻率窄，無法滿足社會發展的需要。因此，開發具有顯著電磁吸收和寬工作頻率的先進吸波材料非常緊迫，具有重要意義。


目前，鐵氧體材料是研究最廣泛的吸波材料。特別是，因為電磁波磁損耗和介電損耗的雙重吸收能力，Fe3O4具有很好的EM電磁波吸收性能。但是，Fe3O4的窄吸收帶寬限制了其在該領域的應用。因此，已經進行了許多研究以拓寬其對於EM波的吸收帶寬。在這些工作中，設計了具有不同化學組成的核-殼結構，例如使用電導率和介電性能差異較大的材料進行重組，通過多層結構增加界面並增加材料的比表面積等。阻抗匹配也是評估吸波材料吸收效率的關鍵參數，它決定了EM波是否可以進入材料內部。因此，在設計吸收材料時，有必要充分考慮阻抗匹配。


二、研究成果


近日，陝西科技大學Yan Bao等研究人員報導了通過溶劑熱和液相還原相結合的三步法製備磁性三層空心結構Fe3O4/FeCo/C（TSH-Fe3O4/FeCo/C）複合微球。FeCo用於增強不同頻帶中的電磁波（EM）吸收並拓寬有效吸收帶寬，而碳則用於改善阻抗匹配。設計了三層空心結構，以產生多個界面，有利於界面極化，增加多重反射和散射，並為Fe3O4核提供抗氧化的物理化學保護。TSH-Fe3O4/FeCo/C複合微球的微觀結構和形態通過TEM、XRD、拉曼和XPS進行了表徵。


結果表明，磁性Fe3O4完全被FeCo和碳逐層覆蓋。作為電磁波吸收材料，在厚度為2.2 mm時，TSH-Fe3O4/FeCo/C複合微球的最大反射損耗高達-37.4 dB，有效吸收帶寬達到5.9 GHz。優異的EM波吸收性能歸因於外殼材料（Fe3O4、FeCo和碳）和獨特的三層空心結構，從而導致多重弛豫過程和良好的阻抗匹配。因此，這項工作將有助於設計和製備具有優異吸波性能和更寬吸收範圍的高性能電磁波吸收材料！相關研究工作以「Design of magnetic triple-shell hollow structural Fe3O4/FeCo/Ccomposite microspheres with broad band width and excellent electromagnetic wave absorption performance」為題發表在國際著名期刊《Ceramics International》上。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.169

​陝科大《國際陶瓷》優異電磁波吸收性能，獨特三層空心材料


​陝科大《國際陶瓷》優異電磁波吸收性能，獨特三層空心材料

圖1.（a）逐步製備TSH-Fe3O4/FeCo/C微球的示意圖；（b–d）各種微球的TEM圖像：（b）H–Fe3O4，（c）DSH-Fe3O4/FeCo和（d）TSH-Fe3O4/FeCo/C；（e）TSH-Fe3O4/FeCo/C微球的HRTEM圖像；（f–g）Fe（紅色），Co（綠色），O（黃色）和C（藍色）的EDX圖像和元素映射；（h）H–Fe3O4，DSH-Fe3O4/FeCo和TSH-Fe3O4/FeCo/C微球的 X射線衍射圖和（i）TSH-Fe3O4/FeCo/C微球的拉曼光譜

​陝科大《國際陶瓷》優異電磁波吸收性能，獨特三層空心材料

圖2.（a–c）反射損耗和（d）不同厚度的各種微球的阻抗匹配值：（a）H–Fe3O4，（b）DSH-Fe3O4/FeCo和（c）TSH-Fe3O4/FeCo/C。

​陝科大《國際陶瓷》優異電磁波吸收性能，獨特三層空心材料

圖3 各種微球的（a–c）ε&39;'曲線和（d）C0曲線：（a）H–Fe3O4，（b）DSH-Fe3O4/FeCo和（c）TSH-Fe3O4/FeCo/C


三、結論與展望


綜上所述，作者採用三步法成功地製備了磁性三層空心結構Fe3O4/FeCo/C複合微球。電磁波吸收研究表明，TSH-Fe3O4/FeCo/C微球具有-37.4 dB的優異吸收性能和5.9 GHz（從11.7至17.6 GHz）的寬有效吸收帶寬。這歸因於中空Fe3O4微球表面的FeCo和碳塗層的包覆，介電損耗與磁損耗協同作用，並且具有良好的匹配阻抗。結果表明，FeCo在不同頻率增加了TSH-Fe3O4/FeCo/C微球的吸收機制，而碳層增加了TSH-Fe3O4/FeCo/C複合微球的介電損耗並改善了阻抗匹配。此外，獨特的三層空心結構賦予了複合材料微球界面極化和多次反射與散射的能力。TSH-Fe3O4/FeCo/C微球有望作為寬頻帶吸收材料應用於吸波領域。（文：嘉一）


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