AFM:可用于高效电磁波吸收的新型镍-碳基纳米管材料

科技   2024-12-19 16:30   河北  






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电磁波吸收技术正成为信息时代不可或缺的基石。从5G通信到无人机隐形技术,对高效、轻量化电磁波吸收材料的需求不断增长。然而,实现卓越性能与轻量化兼具的材料设计,一直是科学界面临的挑战。近日,发表于《Advanced Functional Materials》(《AFM》)的一项研究突破了这一瓶颈。研究文章题为《1D Magnetic Nickel-Carbon Matrix Nanotube Composites Derived from Hydrogen-Bonded Organic Frameworks and Metal–Organic Frameworks for Electromagnetic Wave Absorption》,通过独特的材料设计和创新的合成方法,开发出一种新型镍-碳基纳米管复合材料(Ni-HMCNTs),展示了卓越的吸波性能,标志着该领域的重大进展。



研究背景:高效吸波材料的需求与挑战


随着现代科技的快速发展,对电磁波的控制提出了更高要求。理想的电磁波吸收材料需满足以下特性:
  • 高吸收性能能够有效减少电磁波反射,吸收尽可能多的能量。

  • 宽带宽适用于从微波到毫米波的广泛频段。

  • 轻量化:在满足性能要求的同时,保持低密度,便于实际应用。


然而,传统吸波材料如碳基材料和金属复合材料,尽管表现不俗,但在吸收带宽、填充量和轻量化设计等方面仍有诸多局限。因此,科学家们一直致力于探索新材料和新结构,以进一步提升吸波材料性能。



研究亮点:从结构创新到性能突破


哥廷根大学张凯教授、南航何建平教授与安徽工业大学夏伟副教授的研究团队合作,创新性地结合氢键有机框架(HOFs)与金属有机框架(MOFs,设计并合成了全新的镍-碳基纳米管复合材料。以下为研究的三大亮点:

1. 材料设计:HOFMOF的巧妙结合
氢键有机框架(HOFs):具有高比表面积和可调节性,但结构稳定性较差,难以在高温条件下保持完整。

金属有机框架(MOFs):则通过金属-配体配位键提升了结构稳定性。

研究团队通过一步溶剂热反应,成功实现了HOFMOF的转化,并形成了独特的中空一维纳米管结构。这种壳核转化机制,确保了材料的结构完整性与性能稳定性。

2.核心突破:一步法合成一维中空纳米管
相比传统两步法合成工艺,该方法更加高效,工艺简单,同时避免了额外处理对结构完整性的破坏。通过镍离子的竞争配位反应,研究团队实现了从HOFMOF的转化,并最终形成了镍-碳基中空纳米管。

3. 卓越性能:超强吸收与宽频响应
优化后的Ni-HMCNTs展现了卓越的电磁波吸收性能:
  • 极低反射损耗(RLmin:在2.4 mm厚度下,最低RL值达- 56.9 dB,在3.1 mm厚度下达到- 63.5 dB

  • 宽频吸收10.64–17.96 GHz频段内,实现了7.32 GHz的有效吸收带宽(EAB)。

  • 低填充度仅需10 wt%的填充量即可实现优异性能,为轻量化应用提供了可能性。


性能提升的科学机制
  • 磁损耗与介电损耗的协同作用均匀分布的镍纳米颗粒提供了强磁损耗,而碳基纳米管的高导电性增强了介电损耗。

  • 阻抗匹配优化材料的独特结构有效减小了界面反射,使更多的电磁波能量进入材料内部被吸收。

  • 热稳定性增强通过调节镍含量和热处理温度,显著提高了材料的高温稳定性和吸波性能。


该研究为高效电磁波吸收材料的开发提供了新的思路。Ni-HMCNTs的设计不仅实现了优异性能,还展现了轻量化和宽频带应用的巨大潜力,为未来的信息技术、国防和航空航天领域提供了创新解决方案。

11D HOF  nNi-HMNT 的合成与表征。a) 合成过程示意图,BTC:均苯三甲酸,MA:三聚氰胺;bc)SEMTEM 图像;d) FTIR e) PXRDf-g) XPS 光谱。

2:从实心 HOF 到空心 Ni-HOF/MOF 结构的转变过程。a) 一步合成示意图及其过程TEM图像;b) 两步合成示意图及其过程TEM图像

3nNi-HMCNTs 的表征。ab) 1.2Ni-HMCNTs-800  SEM  TEM 图像。c) i) 单个 Ni NPs  HRTEM 图像;ii) Ni NPs 的尺寸分布。d) 1.2Ni-HMCNTs-800  STEM 图像和 EDS 成像。e) PXRD 图案和 f) CNR  1.2Ni-HMCNTs-800 的拉曼光谱。g) 磁滞,以及 h)一系列 nNi-HMCNTs-800 的矫顽力 (Hc

4CNR  nNi-HMCNTs-800 基体复合材料的电磁吸收特性。ab) nNi-HMCNTs-800 在频率为 2–18 GHz 和厚度为 1–5 mm 时的微波 RL 值的 3D 图和 2D 曲线;c–f) 复杂电磁参数:c) 介电常数的实部(ɛ′)和虚部(ɛ′′);d) 磁导率的实部(μ ′)和虚部(μ ″);e) 介电损耗(tanδ Ε   =   ɛ ″/ ɛ ′);f) 磁损耗(tanδ M = μ ″/ μ ′);g) 0值,h) 电导率(σ)曲线,i) Cole-Cole 半圆的数量,以及 j) 这些复合材料的衰减常数(α)曲线; k,l) (k) CNR(l) 1.2Ni-HMCNTs-800的阻抗匹配因子(Z)

5:雷达截面模拟(RCS)ab) 平面波的电场分布,cd) 不同俯仰角下的 3D RCS 图,以及 ef) 1.2Ni-HMCNTs-700  13.6 GHz 时的点频率 RCS 曲线(ae)和 1.2Ni-HMCNTs-800 复合材料在 14 GHz 时的点频率 RCS 曲线(bf)。g) 具有 PEC 基板的 1.2Ni-HMCNTs-700  1.2Ni-HMCNTs-800 复合材料在不同俯仰角(030°  60°)下的点频率 RCS 值比较。PEC:完美电导体;HH:水平极化。

参考文献:L. Chen, J. Pan, T. Wang, W. Xia, J. He, K. Zhang, 1D Magnetic Nickel-Carbon Matrix Nanotube Composites Derived from Hydrogen-Bonded Organic Frameworks and Metal–Organic Frameworks for Electromagnetic Wave Absorption. Adv. Funct. Mater. 2024, 2409432.

论文链接:
https://doi.org/10.1002/adfm.202409432


信息来源:研之成理




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