作为应对电磁辐射污染的有效手段，电磁防护材料，尤其是电磁波吸收材料，长期以来一直备受关注。然而，日益复杂的电磁环境不仅导致电磁强度增大，还使电磁频率呈现多样化趋势，这给主要在高频段(12–18 GHz)发挥作用的非磁性碳基电磁波吸收材料的研究与应用带来了巨大挑战。尽管这类以电导损耗为主的材料在解决阻抗失配问题后可表现出优异的电磁波吸收性能，但其恒定的磁导率限制了其在中低频段的吸收能力，从而阻碍了其作为新型电磁波吸收材料的进一步发展。
近日，山东大学王凤龙教授和刘久荣教授团队联合北京邮电大学毕科教授等人在期刊《Small》上，发表了最新研究成果“Tailored Multi-Band Microwave Absorption Performance via Entropy Engineering in Spinel Ferrite/Carbon Nanofiber Composites”。研究者采用熵工程策略针对尖晶石型铁氧体的四面体间隙位点进行设计，并通过静电纺丝与高温碳化工艺制备了原位生长尖晶石型铁氧体的碳纳米纤维(MNZCFO/C)。多种元素的加入增加了铁氧体晶体结构中熵驱动的结构无序性，为其电、磁性能的提升带来了新的可能。
其中，MNZCFO/C-2纳米纤维在1–5 mm厚度范围内的有效吸收峰覆盖了14.16 GHz (3.84–18 GHz)的超宽范围，包括整个C波段(4–8 GHz)、X波段(8–12 GHz)和Ku波段(12–18 GHz)。此外，MNZCFO/C-3样品在1–5 mm厚度范围内的有效吸收带宽覆盖了4.72–18 GHz的频率范围。其最大有效吸收带宽达到了7.28 GHz，其最小反射损耗值达到−54.62 dB。这些结果表明，熵工程策略在开发具有多频段吸收特性的电磁波吸收材料中具有重要潜力。
图1：MNZCFO/C纳米纤维的制备流程和微观形貌。
经静电纺丝工艺制备了一系列复合纳米纤维，随后将制备的纤维进行预氧化和碳化处理得到MNZCFO/C纳米纤维样品(图1a)。通过SEM与TEM图像确认了大量均匀嵌入纳米颗粒的规则纤维的存在。此外，EDS元素映射图中纤维样品对应金属元素的均匀分布为熵工程的成功实施提供了初步证据，而相应颜色的相对亮度直观地反映了每种元素的不同浓度(图1g，m和s)。这些纤维的细微结构由于添加的原子种类和比例的变化而略有差异，这一点可以根据它们的外观进行确认。
图2：MNZCFO/C纳米纤维的微观结构与熵工程策略示意图。
由构型熵公式计算可得，MNZCFO/C-2和MNZCFO/C-3样品的Sconfig值分别为1.38 R和0.65 R，其分别具有中熵和低熵特征。图2a–e显示，熵工程策略使得尖晶石型铁氧体的晶体结构的无序性增大，相应晶面的晶面间距表现出不同的变化，并且可以在样品的HR-TEM图像中观察到缺陷和晶格畸变的出现。这些缺陷和晶格畸变对增强MNZCFO/C纳米纤维中的极化损耗十分有利。
图3：MNZCFO/C纳米纤维的电磁波吸收性能与电磁参数。
熵工程策略成功将组分与结构设计应用于微观的晶体结构中，使得仅通过调节过渡金属离子的种类和比例便可增加尖晶石型铁氧体的结构无序性，进而优化其电磁性能。最终，材料内部介电损耗与磁损耗的平衡使得其获得了优异的多频段电磁波吸收性能，MNZCFO/C-2和MNZCFO-3纳米纤维的有效吸收峰分别覆盖了3.84–18 GHz与4.72–18 GHz的超宽频率范围，实现了材料的电磁波吸收性能从高频段向中低频段的兼容。
图4：MNZCFO/C纳米纤维的多频段吸收特性及电磁波吸收机理。
熵工程策略实现了协同电磁损耗与最佳阻抗匹配特性之间的兼容以及介电损耗与磁损耗之间的适当平衡。表面原位生长尖晶石型铁氧体的碳纳米纤维通过宏观导电网络、丰富异质界面与微观缺陷与晶格畸变的有效组合，将多重电磁波损耗机制整合到复合纳米纤维中，MNZCFO/C样品展现出卓越的电磁波吸收性能，其优异的多频段吸收特性使其有望在更广泛的频段范围内发挥高效的作用。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202502349
人物简介：
王凤龙，山东大学材料学院教授，博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学。主要从事金属功能材料及器件研究，在国内外学术期刊发表论文130余篇，其中以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano-micro Lett.等杂志发表论文70余篇，发表论文中高被引/热点论文13篇，被国内外同行引用7600多次，H指数51；以第一发明人获授权国家发明专利12件；主持国家重大项目课题、国家自然科学基金面上项目和青年项目以及山东省优秀青年科学基金等项目，在中国材料大会等会议做邀请报告10余次；担任Scientific Reports、Applied Organometallic Chemistry、ChemPhysMater等国际期刊编委；获得欧洲材料学会青年科学奖和山东省自然科学二等奖等荣誉，入选JMCA新锐科学家（2024），被ScholarGPS评选为全球前0.5%科学家（2024年度）。
