随着现代电子和大型集成电路的电信技术的迅速发展，不同频率的电磁辐射已成为一种新污染源，称之为电磁污染，对高灵敏度的电子设备以及周围环境造成干扰。为了应对日益严重的电磁污染，开发高性能微波吸附 (MA) 材料十分必要。然而，利用简单的工艺制备高效、轻质和柔性的MA材料仍是一项巨大的挑战。此外，在实际应用中，很少见MA材料在同一样品厚度实现最强吸收强度 (RLmin) 和最大吸收带宽 (EAB)。

近日，针对以上问题，青岛大学王乙潜教授团队在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表了最新研究成果“Construction of Fe_0.64Ni_0.36@graphite nanoparticles via corrosion-like transformation from NiFe₂O₄ and surface graphitization in flexible carbon nanofibers to achieve strong wideband microwave absorption”。研究者通过静电纺丝工艺和氩气高温退火，制备出轻质、柔性的铁镍合金@石墨核壳纳米颗粒(Fe_0.64Ni_0.36@graphite)/碳纳米纤维(CNF)膜。与文献中以Fe_0.64Ni_0.36作为主要磁损耗材料的复合材料相比，所得Fe_0.64Ni_0.36@graphite/CNF薄膜表现出更好的微波吸附性能。

图1：CNF-800的MA性能以及与其他MA材料的性能对比。

Fe_0.64Ni_0.36@graphite/CNF膜在同一样品厚度实现了最强吸收强度和最大吸收带宽。CNF-800在厚度为2.1 mm时，RLmin达到了-57.7 dB，EAB达到了6.48 GHz (11.20-17.68 GHz)。优异的 MA性能归因于电纺膜中丰富的电损耗和磁损耗机制，比如，丰富的界面结构增强了电荷极化损耗。此外，CNF良好的电损耗和Fe_0.64Ni_0.36较强的磁损耗之间取长补短，使得整个薄膜在11-17 GHz的频率范围达成了很好的阻抗匹配。Fe_0.64Ni_0.36@graphite/CNF薄膜显示出较好的机械强度和优异的柔韧性，在智能便携式和可穿戴电子设备中具有广泛的应用前景。

图2：不同烧结温度得到的CNF薄膜的形貌及微观结构。

图2展示了不同退火温度得到的CNF薄膜的形貌和微观结构。SEM图像显示薄膜中CNF构成了交错的3D网络。从400到800 °C，CNF表面逐渐变得粗糙，由插图中放大的SEM图像可以看出，这是由于表面出现的纳米颗粒所导致的。STEM表征进一步佐证了CNF的形貌和纳米颗粒的晶体结构。在CNF-400中存在5 nm左右的NiFe₂O₄纳米颗粒。在CNF-600中，部分NiFe₂O₄纳米颗粒被还原成Fe_0.64Ni_0.36，两者形成了异质界面。在CNF-800中，NiFe₂O₄纳米颗粒完全转变为Fe_0.64Ni_0.36，并在Ni的催化作用下在Fe_0.64Ni_0.36颗粒表面形成了石墨层包覆。此外，纳米颗粒在碳纤维上均匀地分布，提供交错和互连的高导电性3D网络，这意味着它们具有优异的电损耗能力。

图3：CNF-600中NiFe2O4和Fe0.64Ni0.36界面的理论计算。

为了阐明Fe_0.64Ni_0.36纳米颗粒的形成机制，王乙潜教授团队对CNF-600中NiFe₂O₄和Fe_0.64Ni_0.36的界面进行了理论计算。研究发现，NiFe₂O₄到Fe_0.64Ni_0.36相变过程从[Fe]_tet-I-[FeNi]_oct-[Fe]_tet-II原子层开始，原子逐层剥离NiFe₂O₄晶格，与金属表面腐蚀相类似。Ni和Fe原子加入了新的FeNi晶格，O原子则离开纳米颗粒。

王乙潜团队对不同退火温度下获得的电纺膜的电磁损耗机制进行了细致的研究。损耗机制分为介电损耗和磁损耗。以介电损耗为例，介电常数的虚部高代表导电损耗强，而Cole-Cole图中的半圆形结构代表存在电荷极化后弛豫的现象，称为极化损耗。

图4：不同CNF的介电参数以及Cole-Cole图。

图5：CNF薄膜中存在的各种电磁损耗机制。

除了介电损耗，还对不同退火温度下获得CNF的磁损耗和阻抗匹配进行了详尽的分析。研究指出，CNF-800的强宽带微波吸附不但与丰富的电磁损耗机制有关，同时还归功于优秀的阻抗匹配和其厚度与λ/4波长匹配公式的完美契合。

该研究不仅对Fe_0.64Ni_0.36@graphite/CNF薄膜的微波吸附性能进行了研究和比较，还对其中Fe_0.64Ni_0.36纳米颗粒的形成机制进行了详尽的表征和计算。经过精心设计的多层级异质纳米结构拥有众多界面，提升了此复合材料的微波吸附性能。此外，静电纺丝工艺极大简化了Fe_0.64Ni_0.36@graphite/CNF薄膜的制备流程，还实现了同一厚度下的最强损耗和最大带宽。对于轻质、柔性、高性能的微波吸附材料的设计和制备，该研究具有较高的参考价值。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.11.145 

人物简介：

王乙潜，青岛大学二级教授，博士生导师，山东省“泰山学者”海外特聘专家，山东省杰出青年基金获得者，现任青岛大学物理科学学院副院长。主要研究方向为新能源新材料，已发表学术论文近200篇，至今被引用5000余次，单篇引用超过300次；授权国家发明专利9项；以首位的研究成果先后获教育部自然科学二等奖、山东省自然科学二等奖、山东省留学人员回国创业奖。