吸波新材料!颜值与性能兼具——多孔+多级+多相+轻质+宽频

Rational Construction of Hierarchically Porous Fe-Co/N-doped carbon/rGO Composites for Broadband Microwave Absorption
Shanshan Wang, Yingchun Xu, Ruru Fu, Huanhuan Zhu, Qingze Jiao, Tongying Feng, Caihong Feng, Daxin Shi, Hansheng Liand Yun Zhao
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 76
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0307-8
本文亮点

1 采用绿色还原法原位生长法的策略,在三维蚕茧状rGO上原位生长了Fe掺杂Co-MOF,经高温煅烧后得到了兼具微孔、介孔及大孔的多级孔结构三维Fe–Co/NC/rGO复合材料
2 多级孔结构Fe–Co/NC/rGO复合材料不仅密度小,还表现出了良好的吸波效能,有效吸收频带达到 9.29 GHz,是一种轻质、高效、宽频的吸波材料
内容简介

北京理工大学赵芸课题组,设计并研制出兼具微孔、介孔及大孔的多级孔结构轻质宽频吸波复合材料—Fe-Co/NC/rGO。王姗姗同学为论文的第一作者。
采用简单的绿色还原法制备出三维蚕茧状多孔rGO。将其作为载体,在rGO片层上原位生长了Fe掺杂Co-MOF。经高温煅烧后,得到了多级孔结构Fe-Co/NC/rGO复合材料。独特的三维网状结构促进了电子在rGO片层之间的跃迁,提高了材料的电阻损耗。
该复合材料中,多孔rGO既有电阻损耗又有介电损耗,氮掺杂碳(NC)具有介电损耗,而FeCo合金具有磁损耗,不同类型损耗多组分复合达到了良好的阻抗匹配,使得大部分电磁波进入复合材料内部发生损耗,而其特殊的多级孔结构又使电磁波在材料内部发生多次反射和散射,进一步增强了电磁波的损耗,从而有效拓宽了材料的吸波频带。
本文提出的多级孔结构Fe-Co/NC/rGO复合材料降低了吸波剂密度,拓宽了吸波频带,为解决电磁波辐射污染提供了一个新的设计思路。我们期望本文的设计思路能够得以广泛深入的研究和应用,使人类社会获得健康持续的发展,也为国家的军工事业做出贡献。
研究背景

随着电子设备的迅速普及和大量使用,电磁波辐射污染日益严重。电磁辐射污染在给电子设备正常运行带来干扰的同时还严重危害人类的身体健康。此外,发展武器装备的隐身化,是近几年航空航天、导弹、装甲等行业的研究热点,而雷达隐身作为其重点,旨在通过缩减、控制目标反射的电磁波,减小其被探测的可能性,从而躲避识别、跟踪和攻击等。因此,轻质、高效、宽频的吸波材料成为减少电磁波辐射污染及发展隐身技术的重要手段。根据吸波机理,当吸波剂具有磁损耗、电损耗和阻抗匹配时,可以有更多的电磁波进入到材料内部并被转换成其他形式的能量耗散掉。目前,研究最多的吸波材料主要有磁性金属及合金、磁性铁氧体、铁氧体/石墨烯、铁氧体/碳纳米管等复合材料。这些材料虽然吸波强度较高,但是他们仍存在吸波频带窄的缺点。因此,如何拓宽吸波频带是吸波材料领域一直以来追求的目标。

图文导读
Fe-Co/NC/rGO的制备过程

采用简单的绿色还原法可以制备得到三位蚕茧状rGO,将其作为载体原位生长了Fe掺杂Co-MOF,经煅烧碳化之后得到蚕茧状多级孔结构Fe-Co/NC/rGO复合材料,制备流程如图1所示。

图1 多级孔结构Fe-Co/NC/rGO的制备流程图。

Fe-Co/NC/rGO的多级孔结构
利用该方法构筑的特殊多级孔结构Fe-Co/NC/rGO复合材料,既有NC的微孔和介孔,又有rGO片层自组装形成的大孔,其密度小,孔径范围分布较宽,如从图2c,d可明显看出复合材料的大孔,图3c显示了复合材料的微孔和介孔。
图2 多级孔结构Fe-Co/NC/rGO系列材料的SEM图及HRTEM图: (a)Co/NC, (b)Fe-Co/NC, (c, d,e, f)Fe-Co/NC/rGO。

图3 多级孔结构Fe-Co/NC/rGO系列材料的氮气吸附脱附图及孔径分布图: (a) Co/NC, (b) Fe-Co/NC, (c)Fe-Co/NC/rGO。

多级孔结构Fe-Co/NC/rGO的吸波性能

将Fe-Co/NC/rGO复合材料与石蜡基底按重量比1:3的量混合均匀后压制成型,采用矢量网络分析仪对其吸波性能进行测试,结果如图4所示。多级孔结构Fe-Co/NC/rGO复合材料的最小反射损耗在频率为11.28 GHz,厚度2.5 mm时达到-43.26 dB,有效吸收频带(<-10dB)为9.12 GHz。当厚度为2.63 mm时,其有效吸收频带达到了9.29 GHz。该复合材料不仅具有较高的电磁波吸收强度,并且具有较宽的有效吸收频带。

图4 多级孔结构Fe-Co/NC/rGO系列材料的反射损耗图: (a) Co/NC, (b) Fe-Co/NC, (c)Fe-Co/NC/rGO。
作者简介

赵芸

北京理工大学化学与化工学院

副教授 博士生导师

主要研究方向

致力于碳材料、氧化物材料、高分子材料及其复合材料等功能材料的研究与应用开发。

主要研究成果
先后主持了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省省部产学研合作专项资金、珠海市产学研项目及企业横向项目,作为第二负责人完成了国家863计划等多项大型项目的研究。获中石化科技进步二等奖和江门市科学技术奖励二等奖各1项。发表SCI收录论文80余篇,其中3篇入选ESI高被引论文,授权国内外发明专利20项。

Email: zhaoyun@bit.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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