如今，电子通信和雷达探测技术在智能家居、无人机和机器人、空中交通管制和军事监控等领域发展迅速。与此同时，也产生了许多看不见的污染，如不受欢迎的电磁波和声波。对网络通信、国防和人类健康构成严重威胁。目前，电磁波屏蔽和电磁波吸收（EMA）材料可以减轻电磁辐射污染，延长军事装备的运行周期。然而，屏蔽材料的使用会导致电磁波的反射，造成再污染现象。因此，研究人员开发了一种高效稳定的 EMA 材料，从根本上解决电磁污染问题。
鉴于此，成都理工大学何秦川副教授和王益群副教授团队通过静电纺丝和碳热还原策略构建了具有网络结构的多组分 Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料。通过控制碳热还原温度来设计微结构和多组分调控。多组分Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料中存在大量非均质界面、三维（3D）导电网络结构和缺陷结构，从而诱导了多种损耗机制的组合，显著改善了 EMA 性能。相关研究内容以“Regulating the phase composition and microstructure of Fe3Si/SiC nanofiber composites to enhance electromagnetic wave absorption”为题目发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。
图1：Fe3Si/SiC 纳米纤维的制备示意图(a)。F-1、F-2、F-3、F-4 和 F-5 的 XRD 光谱(b)和磁滞回线图(c)。
多组分Fe3Si/SiC 纳米纤维是整合静电纺丝、原位生长和热解过程制备的。图 1（a） 显示了Fe3Si/SiC 纳米纤维的合成策略示意图。在加热过程中，PCS主要经历小分子挥发、交联固化、无机转化和结晶转化等过程，有机PCS逐渐转化为无机SiC陶瓷。在高温下，SiC 和乙酰丙酮铁碳热还原反应，生成 Fe3Si。如图1（c）所示，F-4具有最优的软磁特性，这可归因于温度的升高导致磁各向异性的增加，从而导致矫顽力值更高。这些 SiC 和 Fe3Si 的存在调节了粒子间的相互作用，从而影响了磁畴结构和畴壁动力学。SiC 和 Fe3Si 之间的界面可以作为磁各向异性的额外来源，进一步导致矫顽力的增加。众所周知，由于热激发，颗粒的矫顽力会降低。随后矫顽力从 F-4 降低到 F-5 表明存在最佳热处理温度以最大化这种磁性。
图2：F-1、F-2、F-3、F-4 和 F-5 的 XPS 光谱（a-a1、b-b1、c-c1、d-d1、e-e1）。
图3：F1-F5的SEM图像（a-e）。F-3的Si、C、O 和 Fe 的元素映射（f-j）。结构演变示意图（l）。
如图3所示，Fe3Si/SiC 纳米纤维表面光滑，呈随机分布，纤维直径约为 300 ~ 500 nm。同时，可以观察到气相反应生成的微珠状纳米线和光滑纳米线。微珠可能是 Fe3Si 在高温下作为催化剂促进 C 在纳米线上沉积。然而，随着温度的升高，纳米线上的微珠会减少并逐渐变得光滑。这可能是由于 Fe3Si 与周围的碳在高温下发生反应形成了 SiC，从 XRD 图谱中也可以观察到 C 峰的消失和 SiC 结晶度的增加。
图4：TEM图像（a）、HRTEM图像（b-f）和F-4的元素映射（g）。
图5：不同厚度的EMA特性（b，e，h，k，n）。RL曲线的2D和3D图像。
图6：复介电常数和介电损耗因数（tanδε）（a-c）。复磁导率和磁损耗因数（tanδμ）（d-f）。F1-F5的衰减常数（f）。
图7：不同厚度的 F-1 (a)、F-2 (b)、F-3 (c)、F-4 (d) 和 F-5 (e) 的 RL 和阻抗匹配。F-4（f）的fm与tm模拟。
图8：CST仿真结果(a-f)。不同角度样品的 RCS 模拟结果(j)。F-4+PEC 的平均 RCS 减小量(h)。本作品与其他先进 EMA 材料的吸波特性比较(i)。
图9： Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料的 EMA 机理图。
Fe3Si/SiC纳米纤维复合材料良好的EMA机制源于以下几点：
首先，由于 SiC 陶瓷的介电常数较低，可以有效平衡材料的阻抗匹配，使更多的电磁波进入材料内部并被消耗掉。
其次，导电损耗主要来自两部分，一方面是电磁波在 Fe3Si/SiC 纳米纤维中传输时电磁能转化为电能。在电流传输过程中，纤维的电阻会产生焦耳热，从而导致传导损耗。另一方面是由于Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料独特的网络结构为自由电子迁移和跳跃提供了扩展的传输通道，从而增加了导电损耗。
在Fe3Si、SiC 和无定形SiOxCy相中形成了大量非均匀界面。电荷会在非均匀相界面聚集，形成界面偶极子，导致界面极化显著增加。
最后， Fe3Si的引入使 F-4 具有出色的磁损耗能力，包括磁共振和涡流损耗，从而进一步促进入射电磁波的耗散。
总之，通过静电纺丝法和原位碳热还原策略，成功制备了具有优异 EMA 性能的多组分 Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料。其中，多组分 Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料具有优异的EMA 性能。当石蜡透射基体中 Fe3Si/SiC 的填充量为 20 wt% 时，制备材料的最大有效吸收带宽达到 5.84 GHz，厚度为 2.02 mm。此外，10.96 GHz 时的最小反射损耗值低至 -67.57 dB。同时，雷达截面 （RCS） 仿真验证了 F-4 峰值 RCS 在 -60°<θ<60° 范围内降低到 -30.37 dB。这表明 Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料在实际应用中具有良好的雷达波耗散能力。综上所述，多组分 Fe3Si/SiC 纳米纤维复合材料的综合性能满足新的应用需求，有望成为一种适用于恶劣环境的新兴多功能吸波材料。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.15540
人物简介：
何秦川，成都理工大学材料与化学化工学院副教授，硕士研究生导师。主要从事高性能碳纤维增强碳基/陶瓷基复合材料的基础研究和应用技术研究、高效吸波材料的研制及应用研究、高分子聚合物固沙固土材料的研究。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、四川省科技创新创业苗子工程重点项目、地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主课题、材料腐蚀与防护四川省重点实验室开放基金项目、陕西高校新型智库“化工助剂及新材料发展研究中心”开放基金项目。目前，共发表SCI论文60余篇，包括Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Chemical Engineering Journal、Carbon、Nano Research等国际期刊，申请国家发明专利5项。同时，担任四川省科技青年联合会理事、成渝地区双城经济圈科技创新联盟项目评估咨询专家、《中国有色金属学报》中、英文版青年编委，并获2022年陕西省百篇优秀博士学位论文和第六届四川省金属学会冶金先进青年科技工作者等荣誉。
