凭借高导电性、优异的化学稳定性和耐腐蚀性，过渡金属氮化物在医学、催化、储能等多个领域得到广泛应用。其中，由于特殊的键合方式，Fe4N表现出优异的磁性能，如高居里温度和自旋极化率。特别是与传统铁氧体相比，Fe4N更高的复磁导率和饱和磁化强度，可以诱导更强的衰减能力，突破Sneok极限，从而在高频范围内实现优越的电磁波吸收性能。
近日，山东大学于美杰教授和王成国教授团队在期刊《Composites Part B: Engineering》上，发表了最新研究成果“The Nitriding Treatment of Ternary Nanofibers toward Outstanding Electromagnetic Wave Absorption Performance”。研究者通过静电纺丝和气体渗氮工艺制备了三元复合纳米纤维（Fe4N/ZrO2/CNFs）。相较于未经渗氮的Fe3O4/ZrO2/CNFs纤维，Fe4N基纳米纤维实现了高效、宽频的电磁波吸收性能。
具体而言，Fe4N的合成促进了包括导电损耗、磁损耗和极化弛豫在内的多种衰减机制的增强；除了相变，氮化过程中大量的缺陷和官能团被引入碳纳米纤维中，损耗能力得到增强的同时，抑制了电导率的过度提高，从而优化了材料的阻抗匹配性质。在所有组分之间协同作用的帮助下，Fe4N/ZrO2/C表现出优越的电磁波吸收性能，最小反射损耗为-63.7 dB，有效吸收带宽高达7.0 GHz。该工作丰富了过渡金属氮化物吸波体的材料体系，并为新一代磁性功能材料的开发提供了理论指导。
图1：Fe4N/ZrO2/CNFs纳米纤维的制备流程和物相表征图。
通过静电纺丝和气体渗氮工艺制备了Fe4N/ZrO2/CNFs纳米纤维（图1a）。XRD结果证明了Fe4N和Fe4相的成功制备（图1b）。由于Fe4N更高的饱和磁化强度，Fe4N基三元复合纳米纤维的磁性更强（图1d）。渗氮过程带来的另一个变化是在碳纤维晶格中引入了大量的缺陷和官能团，从而降低了材料的石墨化程度和电导率，在增强极化弛豫损耗的同时实现了材料阻抗匹配性能的调节（图1c和e）。
图2：Fe4N/ZrO2/CNFs纳米纤维的微观形貌图。
如图2a-c所示，具有超高长径比的一维纤维之间相互搭接、堆叠形成三维导电网络，一方面可以促进材料与入射波的接触，增加微波在材料内部的多重散射；另一方面可以作为Fe4N和ZrO2的载体，促进组分的均匀分散。值得注意的是，电荷容易聚集在ZrO2和Fe4N之间的异质界面处，并伴随交变电场相位的变化做往复运动，从而消耗电磁能（图2d和e）。同时，大量不同类型的缺陷广泛存在于材料的内部，印证了前文所述的渗氮过程会诱导缺陷的产生并促进极化弛豫损耗（图2f）。
图3：Fe4N/ZrO2/CNFs纳米纤维的电磁波吸收性能图。
根据反射损耗图可以得知，Fe3O4/ZrO2/CNFs的最小反射损耗值仅为-10.3 dB，而经过一步渗氮工艺处理后制备的Fe4N/ZrO2/CNFs的最小反射损耗值可以达到-63.7dB，同时拥有7.0 GHz的有效吸收带宽（图3a和b）。通过CST STUDIO模拟的雷达反射损耗值结果显示，Fe4N/ZrO2/CNFs在所有观测角度下的RCS值都低于-10 dBm2，反映了材料具有卓越的远场电磁波吸收性能（图3c-e）。
图4：Fe4N/ZrO2/CNFs纳米纤维的电磁参数，电场分布模拟和阻抗匹配性能图。
通过电磁参数的分析可以得知，Fe4N/ZrO2/CNFs的介电损耗和磁损耗都优于Fe3O4/ZrO2/CNFs（图4a-d）。借助空间电场分布模拟的结果可知，当入射波作用于复合纳米纤维时，材料内部的偶极子发生极化，形成极化电荷。与铁氧体相比，极化电荷更容易聚集在Fe4N与其他相的异质结界面处，从而导致更明显的空间电场分布。交变电场相位角的周期性变化不断诱导偶极子的反复极化和重排，以及材料内部电场分布的变化。在进行过程中，电磁能得到消耗（图4e-f）。除了超强的损耗能力外，完美阻抗匹配的达成是实现高效电磁波吸收的先决条件。渗氮对碳纤维电导率的抑制作用和低介电的ZrO2的引入帮助Fe4N/ZrO2/CNFs实现了这个条件（图4g-j）。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836824007340
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，国防军工项目，山东省科技厅项目和山东省重点自然科学基金等。
