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      蘇州納米所構建出梯度彌散結構內嵌空心碳納米球殼層助力高效電磁波吸收

        隨著通信技術的普及應用,電磁污染已成為人類日常生活的主要污染之一,兼具“強、寬、輕、薄”特性的電磁波吸收材料的研制迫在眉睫。碳基吸波材料由于其輕質、耐腐蝕和適當的介電性能等特性被認為是理想的吸波材料之一,但單一的碳基吸波材料存在阻抗匹配性較差、吸收頻段較窄的缺點。因此,將異質組分以梯度結構與碳基材料結合,形成多組分、多尺度結構調控策略是解決該問題的有效方法之一。然而,目前梯度組分的引入存在步驟復雜、耗時耗能的問題,且鮮有針對納米尺度梯度結構的精確設計和微波吸收機制的報道?;诖?,蘇州納米所基于競爭反應策略在空心碳殼層中構建了納米尺度的梯度彌散結構(Air@G-Fe/C),在電磁波吸收性能方面顯示出突出優勢,為納米尺度梯度分布導電結構設計提供一種新的方案。 

          1. Air@G-Fe/C納米球制備流程和電磁波調控機制示意圖 

        一、Air@G-Fe/C納米球結構分析 

          2. Air@G-Fe/C納米球和前驅體的形貌與結構分析 

        工作首先對制備的Air@G-Fe/C納米球進行了結構分析。研究表明,Air@G-Fe/C納米球與前驅體都表現出Fe元素的梯度分布特性,且在SiO2模板表面形成了均勻的包覆。離軸電子全息成像分析顯示在正偏壓下Air@G-Fe/C納米球靜電勢呈現出多層同心環效應,形成大量的從內部到外部的極化現象。與傳統的均勻彌散結構相比,這種超細鐵顆粒中空碳殼中形成的梯度嵌入結構有利于同時改善界面極化,增強電磁波反射損耗和提高阻抗匹配。 

        二、Air@G-Fe/C納米球吸波性能分析 

          3. 不同Air@G-Fe/C納米球吸波性能分析 

        研究結果顯示,Air@G-Fe/C納米球在15.8 GHz和1.95 mm厚度時,電磁波吸收強度達到-62.7 dB,有效吸收帶寬達到6.4 GHz,覆蓋了整個C波段、X波段和Ku波段。通過調節Air@G-Fe/C納米球中Fe納米粒子的分布特性,可有效的提高其電磁波吸收強度和吸收帶寬。相較于傳統的梯度分布結構,本工作在吸收強度、有效吸收帶寬、結構調控精度和輕質特性等方面都展現出性能優勢。 

        三、Air@G-Fe/C納米球吸波機制研究

         圖4 不同Air@G-Fe/C納米球電磁參數分析 

        進一步地,工作還對Air@G-Fe/C納米球吸波機制開展了研究。電磁波吸收主要依賴介電損耗、磁損耗和阻抗匹配特性的協同作用。本工作發現由于電子3D互連網絡結構和納米碳殼中的遷移,介電損耗成為Air@G-Fe/C納米球的主要吸波機制,而電導損耗又主導了介電損耗過程。研究表明,借助鐵納米顆粒的梯度分布設計,會造成電導率的逐漸增加,進而引起電磁波的多重反射效應,有效的提高Air@G-Fe/C納米球的阻抗匹配特性。 

        該研究工作提出了一種具有梯度分布結構和微波吸收可調的納米空心碳球吸波材料的制備方法,新型微波吸收材料設計、研究和實際使用提供了新的方案。相關工作以Hollow Gradient-Structured Iron Anchored Carbon Nanospheres for Enhanced Electromagnetic Wave Absorption為題發表于Nano-Micro Letters,論文的第一作者是中科院蘇州納米所博士后吳操博士,通訊作者是蘇州納米所康黎星研究員、張永毅研究員和李清文研究員。該工作獲得了國家自然科學基金、中國博士后科學基金和江蘇省博士后科研基金等項目資助。 

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