山东大学于美杰教授&王成国教授:具有核壳结构的三元纳米纤维实现高效、宽带电磁波吸收

文摘   2024-11-12 15:38   山东  

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近年来,通过形貌工程提升纳米材料的电磁波吸收性能受到越来越多的关注。其中,核壳结构可以巧妙地结合两种材料的优点,极大地增加两相之间的异质界面。由于不同材料电负性、电导率和极性的不同,在非均质界面处不均匀分布的电荷会形成空间电荷区,并伴随交变电场做往复运动从而消耗电磁能。因此借助核壳结构提升纳米吸波剂的各种损耗机制具有巨大的前景。

近日,山东大学于美杰教授和王成国教授团队在期刊《Advanced Fiber Materials》上,发表了最新研究成果“The Design of Ternary Nanofibers with Core-shell Structure for Electromagnetic Stealthy Antenna”。研究者通过静电纺丝法制备了具有核壳结构的三元复合纳米纤维(Ni/CNFs@ZrO2。独特的一维核壳结构赋予了材料高效的电磁波吸收性能。


具体而言,具有超高长径比的一维纤维相互堆叠成的三维导电网络极大地促进了入射波与材料的接触,并可以作为能量传输和电子转移的路径。另一方面,核壳结构带来的介电-磁协同作用和丰富的异质界面极大地强化了材料的界面极化弛豫能力。三种组元的选择在保障了超强衰减能力的同时实现了完美的阻抗匹配。最终,得益于精妙的微观结构和组分之间的协同作用,Ni/CNFs@ZrO2在11.0 GHz处收获到了-60.1 dB的最小反射损耗值,有效吸收带宽可以达到7.6 GHz。该工作为纳米纤维基微波吸波材料的微观设计和机理分析提供了新的思路和灵感。


图1:Ni/CNFs@ZrO2纳米纤维的制备流程和物相表征图。


通过静电纺丝和高温碳化法制备了Ni/CNFs@ZrO2三元纳米纤维(图1a)。XRD结果证明了单质镍和ZrO2相的成功制备(图1b)。由于镍前驱体的添加量不同,Ni/CNFs二元吸波剂的饱和磁化强度比Ni/CNFs@ZrO2更强(图1c)。相较于石墨烯,碳纳米纤维中存在大量的无定型碳和官能团,有助于提升材料的极化弛豫损耗能力(图1d-g)。


图2:Ni/CNFs@ZrO2纳米纤维的微观形貌图。


如图2a-d所示,金属盐的不同对纤维的形貌会产生影响。ZrO2会在纤维表面形成薄层,而Ni则以颗粒的形式均匀地分散在碳纤维中。注意到,ZrO2和Ni在纤维内部形成了大量的异质界面(图2e-h)。由于ZrO2和Ni的电负性、电导率和介电常数的不同,自由电子或电荷容易聚集在接触界面的两侧,并通过产生反复的极化弛豫想象消耗电磁能。此外,纤维内部存在的各类缺陷也会通过极化损耗衰减电磁波(图2i)。


图3:Ni/CNFs@ZrO2纳米纤维的电磁参数,空间电场分布和阻抗匹配图。


根据电磁参数的分析可以得知,相较于ZrO2拥有更高磁性和电导率的Ni的存在会大幅度提升材料的介电损耗和磁损耗能力(图3a-f)。借助空间电场分布模拟可以,Ni的引入会深刻地改变材料内部的电场分布,并通过诱导更强的界面极化和电导损耗去消耗电磁波(图3g)。不过,仅仅依靠超强的衰减能力是不足以有效地吸收电磁波。只有材料的阻抗匹配性能得到优化,即更多的电磁波可以入射到材料内部而不被反射,材料的超强损耗能力才能够得以发挥。ZrO2的引入成功地抑制了材料电导率的过度升高,调谐了电磁参数,并成功地帮助Ni/ZrO2@C实现了完美的阻抗匹配(图3i)。


图4:Ni/CNFs@ZrO2纳米纤维的反射损耗图。


最终,结合上述的分析不难预测Ni/ZrO2/C相较于其他二元纳米纤维吸收剂会收获更高效、宽频的电磁波吸收性能:在11.0GHz处的最小反射损耗值为-60.1GHz,有效吸收带宽可以高达7.6GHz(图4a-c)。雷达界面反射模拟值也证明了Ni/ZrO2/C具有出色的远场电磁波吸收性能,在所有的观测角度小,RCS值均小于-10dBm2(图4d-f)。


/ 论文链接:/

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-024-00492-8



  人物简介  

于美杰,山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师,山东省复合材料学会理事。主要从事高性能碳纤维和特种碳纤维的制备与应用,低红外辐射材料和电磁功能材料的设计、制备与应用。先后主持承担和参与国家自然科学基金、教育部预研项目、山东省自然科学基金项目、山东省重点研发(重大创新工程)项目、国防重大项目、国家973和863计划、国家重点研发计划项目等30余项。发表学术论文80余篇,获发明专利10余项。目前担任Composites Science and Technology,Chemical Engineering Journal, Composites Part B,Carbon等期刊同行审稿人。

王成国:山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师,山东省复合材料学会副理事长,山东省有突出贡献的中青年专家,长期从事碳纤维及其复合材料的研究。以第一作者和通讯作者的身份发表论文160余篇,其中被SCI、EI收录120余篇,主编教材2部,获发明专利3项,获山东省科技进步二等奖5项,山东省科技进步三等奖1项,山东省高等学校自然科学二等奖1项,山东省高等学校自然科学三等奖1项,教育部科技进步二等奖1项。先后主持和参与承担国家863项目,科技部国际合作项目,国家自然科学基金,国家973项目。

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