碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展.pdf
《碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展.pdf(12页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、DOI:10.1016/S1872-5805(22)60624-3碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展李红盛1,吴爱民1,*,曹暾2,黄昊1(1.大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁省能源材料及器件重点实验室,辽宁大连116024;2.大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁大连116024)摘要:电磁波通讯技术的快速发展,为信息高效传输提供了很大便利,但随之而来高频电子辐射问题日益严重,电磁波吸收材料成为解决电磁辐射的关键。开发“薄、轻、宽、强”的高性能电磁波吸收材料是目前吸波领域研究的重点和热点。本文主要依据传输线理论,介绍了吸波材料的隐身机理,同时总结了吸波材料的制备方法。重点阐述了碳包
2、覆磁性纳米粒子微波隐身材料的研究进展,并讨论了该类吸波材料的未来应用前景以及发展趋势,最后对碳包覆磁性纳米隐身材料的应用以及研发方向提出了几点建议。关键词:吸波机制;碳包覆;磁性纳米粒子;微波隐身材料文章编号:1007-8827(2022)04-0695-12中图分类号:TB33文献标识码:A1前言电磁波(Electromagneticwaves,又称电磁辐射)是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波在真空中以光速(3108ms1)稳定传播,在全球无线通信、定位和检测系统等领域的应用中占据了压倒性的主导地位,使人类文明得以显著
3、发展。随着 5G 时代的到来,高频引入、硬件零部件升级、互联网设备及天线数量的成倍增加,电磁干扰和辐射对电子设备的危害日益严重1,2。在军事领域,美军的 F-117 隐形战斗机、B-2 隐形轰炸机、U-2 高空侦察机和“海影号”试验船等先进军事设备在战争中显示出巨大的威力3,4。因此,寻求有效的手段降低和减弱电磁辐射在生活和军事领域的危害具有重要的意义。电磁波吸收材料能促使电磁能转换为热能或经干涉相消而从根本上消除电磁波,具有较高的电磁波能量损失效率。随着纳米技术的蓬勃发展,这些材料已表现出许多先进的电磁功能,包括防止电磁污染和反雷达隐身。传统的吸波材料中,炭材料因密度低、价格低廉、制备工艺简
4、单、性质稳定等优点而备受广大研究者青睐1,5。理想的吸波材料需要满足“厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强”等特性。虽然炭材料作为吸波材料取得了一定进展,但在实际应用中仍存在吸收强度低、低频吸收弱、吸收频带窄等缺点68。为了解决上述问题,炭材料吸波性能的改善围绕以下三方面展开:(1)低维化方向。低维化材料的表面效应、小尺寸效应以及量子尺寸效应能够获得特殊的光、电、磁和吸收性能。它们的微波吸收性能优于传统材料,也有助于相对减轻其重量。(2)炭复合材料。炭材料与磁损耗材料复合,双重损耗有助于材料性能的提升,同时各组分的协同作用可共同增强材料的电磁波衰减能力。(3)多结构的炭材料。为了提高电磁吸收功能,对
5、微观结构的调控与设计已成为一个强有力的研究方向。通过将其设计为不同尺寸的碳包覆结构,其界面极化、传导网络、磁耦合、磁介电协同等组合效应可有效提升电磁波的吸收性能。本文首先总结并探讨了电磁波的吸收机制和相关理论模拟计算公式,简要介绍了碳包覆磁性纳米粒子主要制备与改性方法,重点探讨了不同类型碳包覆磁性纳米粒子,包括碳包覆铁、碳包覆镍、碳包覆钴以及碳包覆多合金纳米粒子等微波隐身材料的研究进展。最后,本文针对碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料应用提出了相应收稿日期:2022-04-28;修回日期:2022-06-16通讯作者:吴爱民,博士,副教授.E-mail:作者简介:李红盛,博士研究生.E-mail:
6、第37卷第4期新型炭材料(中英文)Vol.37No.42022年8月NEWCARBONMATERIALSAug.2022的建议,并对其未来研究发展方向进行了展望。2电磁波吸收机制电磁波吸收材料是指当电磁波入射到材料表面时,能有效地吸收雷达波,从而使目标的回波强度减小的一类功能性材料,电磁波传播与损耗路径如图 1 所示。因此吸波材料吸收电磁波的两大基本条件是9,10:(1)电磁波入射到材料表面时,能最大限度地进入材料内部,即要求材料具有匹配特性。(2)进入材料内部的电磁波能迅速地从电磁能转化为热能或者其他形式的能量而损耗掉,即要求材料具备损耗特性。RadiationsourceIncident
7、wavesDielectric lossMultiplereflectionsMagnetic lossTransmitted wavesAbsorberAbsorption lossReflected waves图1电磁波传播路径Fig.1Thepropagationpathofelectromagneticwaves.电磁波在介质中的传播行为可以简化为表面反射、内部衰减和透射的结合。对于负载均匀吸波剂的理想金属导体,其透射率(T)为零。吸波材料的发射率(R)、吸收率()以及反射损耗(RL)可以通过传输线理论来进一步分析计算。假设平面电磁波沿 Z 轴方向垂直入射在单层介质层表面时,反射功率系
8、数 为11: =?ZinZ0Zin+Z0?2(1)Zin传输线的输入阻抗为:Zin= ZcZin(0)+Zctanh(d)Zc+Zin(0)tanh(d)(2)Zin(0)Zin(0) = 0;Zc为金属基板与电磁波吸收材料之间的输入阻抗,代表电磁波材料的特性阻抗, 是电磁波在材料内部的传播常数, 是衰减常数(Npm1), 是相位常数(radm1),d 为吸波材料的厚度(mm)。其中12: = + j = j = j00rr= j2fcrr(3)Zin= Z0rrtanh(j2fdcrr)(4)Z0Z0=0000为自由空间的特性阻抗(),=8.8541012Fm1,=4107Hm1。,r,r分
9、别为绝对介电常数,磁导率和电磁波吸收材料的相对介电常数(r=-j)、相对磁导率(r=j)。c 为光速(3108ms1)。若改善材料的吸波特性,应从匹配程度与损耗程度来分析。衰减常数 为:=2fc()+()2+()2(5)材料的反射损耗计算公式为:R = 10lg| = 20lgZinZ0Zin+Z0= 20lgZin/Z01Zin/Z0+1(6)结合公式(5)、公式(6)以及电磁波吸收材料的电磁参数,可以模拟优化不同厚度下吸波材料的吸收波段以及隐身特性。3碳包覆磁性纳米粒子制备技术近年来,随着微波吸收材料在 GHz 波段受到越来越多的关注,其制备方法与制备技术也层出不穷。主要有热弧等离子体纳米
10、粉体制备技术、水热合成法、MOFs 衍生法以及溶胶凝胶法等。3.1 热弧等离子体纳米粉体制备技术热弧等离子体纳米粉体制备技术可用于碳基磁性纳米复合材料的物理合成,也是较早发现碳包覆复合结构材料的方法,通过控制两电极之间的距离、电压电路大小和气氛比等条件,调整纳米粒子的生成状态。其可控性高、样品纯度高、分散性好,但存在着合成参数多、产量低等缺点,不利于大规模生产。经多年探索,Huang 等已 能 制 备 出 多 种 均 匀 碳 包 覆 磁 性 纳 米 粒 子CFe、CNi、CSiCNi 以及 CSn 等13,14,微观结构如图 2(a-d)所示。在系统的研究中发现,不同种类的纳米粒子有其特定的微
11、波吸收频段。随着制备设备与技术的不断改进,Wu 等15采用电弧放电法制备了碳涂层镍纳米胶囊,并通过改变电流大小探究粒径对磁性和微波吸收性能的影响。3.2 水热合成法水热法属于液相化学法的范畴,最早在19 世纪中叶水热合成理论之上展开了水热法对696新型炭材料(中英文)第37卷功能材料的探究。水热合成法制备样品分散性好、粒子纯度高且形貌易于控制,水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可制备多种形貌的碳包覆磁性纳米粒子。同时水热法可直接制备晶体良好的粉体,简化高温和球磨处理,避免了该过程下的粉体硬团聚、杂质和结构缺陷。但水热法制备的复合材料需要特定温度及压力条件,用于碳基
12、磁性纳米复合材料的规模化生产难度大。水热法被广泛报道用来制备多种炭基复合材料,如 CFe,CCo 单金属纳米粒子16,17,CFeFe3O418,CNiCo2O4复合材料1,CFe3C 异质结构19,CMoS2纳米结构20等。同时也可制备多种形貌结构,如海胆状复合材料1,纳米空心球21、纳米链22以及纳米花23等结构,如图 3 所示。3.3 溶胶凝胶法溶胶-凝胶法是二十世纪中叶之后发展起来的一种制备无机材料的工艺,能够制备多种碳基纳 米 复 合 材 料 。 1846 年 , 法 国 化 学 家 J.J.Ebelmen 将乙醇与 SiCl4均匀混合后24,在湿空气中发生水解并形成了凝胶。溶胶凝胶
13、法可使反应物在分子水平上被均匀混合和掺杂,利于化学反应的进行,产物粒径小且具有较高的磁学性能,但通常溶胶-凝胶过程周期较长,操作复杂且成本较高。八十年代以来,在电磁波吸收材料,氧化物涂料、功能陶瓷粉料以及传统方法制备困难的复合氧化物材料上均有广泛的应用和研究。3.4 MOFs 衍生法金属有机骨架化合物 MOFs 是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接,形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料26。MOF 衍生法制备复合材料制备过程简单,复合材料可具备多种特定的骨架架构和特殊的孔结构,有利于电磁波实现多重反射与散射。近年来在电磁波吸收领域,MOFs 衍生法制备碳
14、包覆磁性复合材料凭借其兼容的电磁双损机理以及低密度等优点在电磁吸收领域逐渐进入人们的视野。杜耘辰教授课题组报道了优化和调控 MOFs 衍生碳包覆磁性复合材料电磁吸收剂组分和微结构的策略主要包括热解双金属 MOFs27、引入额外的磁性/碳组分28,29、化学刻蚀30、模板介导组装31、界面离子交换32以及异质层包覆33等,材料结构如图 4 所示。但是目前 MOF 衍生法在吸波行业新兴起研究热潮且研究及实际应用制备碳基磁性纳米复合材料的实例较少。4碳包覆磁性纳米粒子的种类及研究进展由于炭材料具有良好的介电性能、较低的比(a)Fe coresGraphite shell10 nm(c)NiSiCGr
15、aphite shell2 nm(b)(111)(111)011Ni coresGraphite shell5 nm(d)SnC100 nm图2碳包覆磁性纳米粒子透射图:(a)CFe,(b)CNi,(c)CSiCNi,(d)CSiCNi,(c)CSn13,14Fig.2TEMimagesofthecarbon-coatedmagneticnanoparticless13,14:(a)CFe,(b)CNi,(b)CSiCNi,(d)CSn.Reprintedwithpermission.Sea urchinsHollow spheresCNiCo2O4Co/CV2O3MlicrochainsNa
16、no flowerZnFe2O4CMoS2/FeS2Fe3O4C图3不同形貌的碳包覆复合材料1,21-23Fig.3Carbon-coatedcompositematerialswithdifferentmorphologies1,21-23.Reprintedwithpermission.第4期李红盛等:碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展697重、特殊的微观结构和优异的化学稳定性等优点,在电磁波吸收领域有着深远的应用前景,目前研究较热的有石墨烯、碳纳米管、多孔炭材料、泡沫炭等。但单一炭材料介电常数较大,不利于阻抗匹配,吸波性能较差,同时炭材料作为纳米材料之间的团聚程度高,难以均匀分散在基体
17、当中。利用碳基复合材料调节其电磁参数,提高阻抗匹配特性并改善分散性,有望获得高效、轻质的电磁波吸收材料。Wang 等34为了克服石墨烯易团聚和阻抗匹配差等问题,基于还原氧化石墨烯(rGO)和无定形炭球(ACMs)制备了夹层状石墨烯基复合材料。Wang 等35通过简单的水热法成功合成了包裹多壁碳纳米管的空心立方体 ZnSnO3复合材料(ZSOCNTs),ZSOCNT-130C 复合材料在 13.5GHz 时,最大反射损耗可达52.1dB,并在厚度仅为 1.6mm时,吸收带宽可达 3.9GHz。研究发现,优异的微波吸收性能归因于极化,传导损耗和特殊空心笼结构之间的协同效应。Xu 等36采用热解和蚀
18、刻法合成具有独特内部空隙和介孔壳的类红细胞结构-介孔碳中空微球(RBC-PCHMs)。复合材料在填充度仅为10% 时,在 X 波段(812GHz)表现出的有效吸收带宽(反射损耗小于10dB)大于3GHz。极化损耗随着温度的升高而降低,而导电损耗却相反,证明在一定温度下有利于阻抗匹配性能的提高。近年来在炭材料中引入磁性吸收剂,通过多维结构和多重电磁损耗机制改善其吸波性能,是提高吸波性能的有效途径。磁性纳米金属吸波材料(如 Fe、Co、Ni 及其合金 FeCo、CoxNi1-x、FeCoNi 等)晶体结构简单,具有较高的饱和磁化强度和磁导率,从而表现出较强的磁损耗,但是磁性颗粒密度大,易发生氧化且
19、趋肤效应明显。大量研究表明,磁性颗粒表面包覆炭材料形成核壳结构可有效改善磁性金属的分散性和电磁特性,能够缓解磁性颗粒密度大的劣势并调控电磁参数,同时异质结构可产生多重界面,介电损耗和磁损耗的双重作用可有效增强电磁波吸收。4.1 碳包覆铁纳米粒子(CFe)作为最常用的过渡金属元素之一,铁元素(Fe)因优异的磁响应特性而被广泛应用于电磁波吸收领域。研究表明,结合磁性组分构建CFe 复合材料是提高磁损耗、改善阻抗匹配、拓宽吸收带宽、增强吸收强度的有效途径之一。Zhang 等通过热弧等离子纳米粉体制备技术已经成功制备 CFe 纳米粒子37,如图 5a 所示,在3.218GHz 波段之间表现出较宽的吸波
20、频带(RL20dB)和较强的吸收强度(43.5dB,图 5b),优良的微波吸收特性主要是因为微观结构中适当的电磁匹配、较强的自然共振以及“核/壳”界面的多极化。Liu 等38详细研究了石墨炭ZIF-67VoidCICo-C/Void/Co9S8NiCo/GC/NPCNi/CMo2NCoFeC/CNTHollow CoNCNsZIF-67VO2Hollow ZnNiC nanoboxMOFsMaterialsTemplate-Mediatedassembly图4MOFs 衍生法制备的不同结构的材料25Fig.4MaterialswithdifferentstructurespreparedbyM
21、OFsmethod25.Reprintedwithpermission.(a)20 nm(c)(b)(d)(a)(b)(110)(110)(200)(200)(211)(211)Oxides4060802 ()FeFeGraphiteOxides5 nm5 nmIntensity (a.u.)R (dB)f (GHz)S3S2S10103.2 GHz9.6 GHz, 43.15 dB1.54 mm1.67 mm2.70 mm3.10 mm5.00 mm7.50 mm2030405024681012141618Frequency (GHz)10.8-18.0 GHz2505Reflection
22、loss (dB)101520254681012141618图5CFe 纳米粒子的(a)透射图,(b)反射损耗图37;(c)Fe、Fe/C 纳米胶囊对比 XRD 和 TEM 图38;(d)Fe/C 的反射损耗图39Fig.5(a)HRTEMimagesand(b)reflectionlosscurvesofCFenanoparticles37;(c)XRDandTEMimagesofFeandFe/Cnanocapsules38;(d)reflectionlosscurvesofFe/C39.Reprintedwithpermission.698新型炭材料(中英文)第37卷层对 Fe 纳米颗粒
23、的微观结构、热稳定性和电磁特性的影响,形貌结构如图 5c。发现石墨层可以帮助 Fe/C 纳米胶囊稳定地存在于 220C 的空气中,而纯 Fe 颗粒在 90C 时就会发生氧化。石墨壳中存在大量缺陷,有助于增加磁/介电损耗和衰减常数,Fe/C 纳米胶囊在 10.8GHz,反射损耗达到33.1dB。CFe 复合材料还可以通过高温燃烧前驱体获得,Fe 纳米粒子在高温下对 C 具有催化石墨化作用39,使得石墨层包覆在 Fe 纳米粒子上更为容易,核壳结构既可以有效缓解金属粒子的氧化,也可以进一步改善复合材料的介电损耗特性,减少涡流损耗对磁导率的影响,从而得到优异的电磁波吸收材料。Qiang 等 3 9 利
24、用普鲁士蓝(Prussianblue,PB) 为前驱体,PB 经炭热还原得到Fe/C 复合材料。证明磁性组分均匀分布的Fe/C 复合材料可有效减少电磁波吸收盲区,并具备良好的电磁波衰减特性和阻抗匹配(图 5d),表现出超宽的吸收频带 (7.2GHz,10.818.0GHz)。Wang 等40利用静电纺丝制备 Fe/C 纳米纤维,提高了 Fe 纳米颗粒的抗氧化性并降低了材料的密度,在 2.213.2GHz 范围内获得良好的吸波性能,在低频 4.2GHz 波段得到最大反射损耗值44dB。为增强 CFe 复合材料综合电磁波吸收能力,也有研究报道多种结构以及多制备方式,以期利用多组分的协同作用增加材料
25、的吸波特性。4.2 碳包覆镍纳米粒子(CNi)金属镍(Ni)在低频 S 波段(2.04.0GHz)、C 波段(4.08.0GHz)以及 Ku 波段(12.418.0GHz)都表现出较为出色的电磁波吸收性能41,42。但是单金属 Ni 的涡电流对磁导率的弱化较严重,有研究者通过设计复杂结构的镍材料降低涡流效应对电磁波的影响,特殊结构的 Ni 材料由于制备过程复杂,有效吸收波段也受限,影响进一步的应用和发展。在此背景需求下,Zhang 及其合作者成功制备了 CNi 纳米胶囊43,纳米胶囊在基体中均匀分散,能够降低纳米粒子间的磁耦合效应,增加纳米粒子的有效表面各向异性,构建纳米尺度几何中的电磁匹配以
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 碳包覆 磁性 纳米 粒子 机制 研究进展