随着无线通信技术快速发展和电子设备广泛应用，电磁辐射与干扰问题日益突出，不仅威胁健康和生态系统，还可能削弱电子设备稳定性，甚至对国防安全构成隐患。微波吸收（MA）材料可将电磁波能量转化为热能等形式有效耗散，是缓解电磁污染的重要手段。传统铁氧体和磁性金属（Fe、Co、Ni）虽具高饱和磁化强度和GHz波段磁损耗能力，但密度高、分散性差、阻抗匹配不佳且易氧化，限制了实际应用。此外，碳基磁性复合材料虽可改善阻抗匹配并引入双损耗机制，但仍存在磁性颗粒易团聚、界面不足以及制备复杂、可控性差等问题，难以满足超薄、高性能宽带吸波材料的需求。

近日，上海交通大学陈玉洁研究员和范群福助理研究员团队在期刊《Composites Science and Technology》上发表了最新研究成果“Necklace-Structured FeCoNi@N-Doped Porous Carbon Nanofibers with Strong Magnetic Coupling for High-Performance Microwave Absorption”。在该研究中，团队通过简便的水热辅助静电纺丝-碳化方法制备了一维项链状FeCoNi@NPCNFs。通过该方法精准调控了FeCoNi纳米粒子（FeCoNi NPs）的尺寸与含量，实现了在氮掺杂多孔碳纳米纤维（NPCNFs）中的均匀分散，从而增强了材料的磁各向异性与饱和磁化强度。结果表明，FeCoNi@NPCNFs在1.46毫米超薄厚度下可以实现-52.36 dB的最小反射损耗（RLmin），并在1.66毫米厚度下获得了5.52 GHz的有效吸收带宽（EAB），凸显了高负载磁性组分及其线性分散结构对于构建高效、超薄磁性碳纤维电磁波吸收器的重要作用。

图1：(a) FeCoNi@NPCNFs的合成过程示意图。(b) FeCoNi@NPCNFs的XRD图谱。(c, d) FeCoNi纳米颗粒的SEM图。(e) FeCoNi/PVP@PAN/PMMA的TEM图。NPCNF-3 的(f, g) SEM图，(h) TEM图，(i,j) HRTEM图、(k) SAED图谱以及(l-q) EDS mapping图。

首先，采用低温水热法合成了直径约450 nm的FeCoNi纳米粒子。随后，采用同轴静电纺丝工艺将FeCoNi NPs引入复合纳米纤维。其中，PVP核层溶液中的极性基团可与金属表面的孤电子对配位形成化学吸附层，而其长链结构则提供空间位阻，这两种机制协同抑制磁性颗粒的团聚。纺丝后的纳米纤维膜经预氧化处理，并在800 ℃进行碳化，最终形成项链状FeCoNi@NPCNFs。为系统研究FeCoNi NPs负载量对材料形貌和微波吸收性能的影响，合成了一系列负载量可调的 FeCoNi@NPCNFs。

图2：(a) FeCoNi@NPCNFs 的拉曼光谱；NPCNF-3 的 XPS光谱：(b) 全谱图，(c) C 1s，(d) N 1s，(e) Fe 2p，(f) Co 2p 和 (g) Ni 2p；(h) FeCoNi@NPCNFs 的室温磁滞回线；(i) NPCNF-3 的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布图。

如图2所示，FeCoNi@NPCNFs由金属态FeCoNi和N掺杂碳构成，展现出典型的铁磁性特征。随着FeCoNi负载量的增加，饱和磁化强度（Ms）逐渐升高，并在3.5-4.5 g区间趋于饱和；而矫顽力（Hc）则因一维结构引发的磁各向异性而高于纯FeCoNi。纤维表面的分级多孔结构和高比表面积有助于界面极化能力，N掺杂则提升了偶极极化强度，二者协同优化了宽频吸波性能。该研究系统揭示了FeCoNi@NPCNFs的结构-组成-磁性能之间的内在关系，为其高效吸波应用提供了理论支撑。

图3：不同样品在填料添加量为 50 wt% 条件下的反射损耗（RL）曲线及其三维与二维投影图：(a1–a3) NPCNF-1，(b1–b3) NPCNF-2，(c1–c3) NPCNF-3，(d1–d3) NPCNF-4；(e) NPCNF复合材料的最小反射损耗（RLmin）与最大有效吸收带宽（EABmax）对比；(f) 不同厚度下NPCNF的RLmin值；(g, h) 近期文献中报道的碳基吸收材料在不同厚度下的 (g) RLmin和 (h) EAB 值对比。

图4：FeCoNi@NPCNFs复合材料的电磁波吸收机意图。

FeCoNi@NPCNFs结合了0D磁性纳米颗粒（磁损耗）、1D多孔核壳CNFs（介电损耗、限域效应）以及3D磁耦合网络的优势，协同实现了良好的阻抗匹配和“磁-介”耦合损耗机制，最终在超薄厚度下实现高强度吸收与宽频响应。具体的，FeCoNi@NPCNFs 在 1.46 mm 厚度下实现最低反射损耗（RLmin）−52.36 dB，在 1.66 mm 厚度时有效吸收带宽（EAB）达 5.52 GHz（11.70–17.22 GHz），展现出卓越的微波吸收性能。此外，RCS模拟表明，FeCoNi@NPCNFs能够在超薄涂层下显著抑制远场雷达散射，其RCS值普遍低于-20 dBm²，最大降幅可达40.92 dBm²，并在1.00-2.00mm厚度范围、-90°至90°宽角以及8-18 GHz宽频段内保持低RCS值，展现出“薄、宽、强、稳”的远场吸波优势，是雷达隐身（如战机）和卫星通信抗干扰的理想候选材料。

论文连接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353825003574?fr=RR-2&ref=pdf_download&rr=983eea7b5eebddbe

人物简介：

陈玉洁，上海交通大学材料科学与工程学院研究员，博士生导师，入选国家级青年人才计划、上海市巾帼创新新秀、上海市青年科技英才扬帆计划。致力于环境响应智能驱动高分子及其复合材料，以及极端环境应用功能高分子复合材料研究。目前已作为第一作者和通讯作者在AM、Matter、AFM、Nano Energy、ACS Nano、Nano Letters等期刊上发表论文60余篇，申请和获得国家发明专利30余项。获得了2022年上海市科技进步一等奖、中国复合材料学会全国运载领域复合材料创新技术奖、中国有色金属学会青年优秀贡献奖等奖励。兼任《Smart Molecules》、《复合材料学报》青年编委，《当代化工研究》编委，中国复合材料学会复合材料回收利用技术专业委员会副秘书长和常务委员。

范群福，博士毕业于北京理工大学，获工学博士学位。2023年加入上海交通大学，现任助理研究员。主要从事复合材料结构设计、高性能聚合物基功能复合材料以及电磁波吸收材料的研究工作。