河北工業大學：仿Opal結構設計并制備三維有序多孔碳基電磁吸波復合材料

隨著5G、人工智能、物聯網、大數據及其在高速通信、無人系統、工業互聯網、先進能源、航空航天等領域的廣泛應用，人類健康和各類裝備面臨嚴峻的電磁防護安全問題。如何突破傳統思維和方法束縛，發展新型電磁防護和吸波材料，建立電磁波防護新理論，提升電子裝備的電磁防護能力是亟需解決的問題。

自然界許多物質具有目前人工系統無法比擬的電磁波響應能力。澳洲寶石（Opal）是一種由二氧化硅納米微球沉積而成的蛋白石，其色彩繽紛的外觀與色素無關，而是因其幾何結構上的周期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色隨之變化。近日，受Opal三維周期性微觀結構啟發，河北工業大學材料科學與工程學院能源裝備材料技術研究院殷福星教授團隊袁野副教授和張程偉副研究員通過模板法制備出了具有蛋白石結構（Opal?based?structure）和反蛋白石結構（Inverse-Opal-based?structure）的三維有序多孔碳材料封裝Co/Co₃O₄吸波復合材料（Co@Co₃O₄/NMCS和Co@Co₃O₄/NMmC），探索了這兩種具有多級孔結構的碳基吸波復合材料在微波頻段對電磁波的響應規律，研究了不同組分構成的吸波復合材料在1-18 GHz頻段電磁吸波效果，并對材料應用于復雜結構上的雷達散射截面縮減效果進行了仿真研究。兩項相關成果分別發表在材料類學術期刊ACS Appl. Mater. Interfaces（doi.org/10.1021/acsami.0c03105）和Carbon（doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.020）上。

圖1 三維有序多孔Co@Co₃O₄/NMCS設計與制備示意圖

測試結果表明，這種三維有序多孔碳基吸波復合材料在1-18GHz頻段范圍內表現出了優異的電磁波吸收性能，在5.7 GHz下電磁反射損耗達到了-53.8 dB。

圖2?不同Co@Co₃O₄含量的Co@Co₃O₄/NMCS電磁反射損耗云圖和性能曲線

這種基于Opal微觀結構所設計制備的三維有序多孔碳基吸波復合材料表現出良好的吸波性能，研究人員認為主要的電磁波響應和損耗機理可以歸因于如下幾點：（1）和固體結構相比，這種仿生設計的多級孔結構有利于降低結構的密度和復介電常數，使得多數電磁波可以進入到吸波體內部實現良好的阻抗匹配，也有利于擴展電磁波的吸收頻帶寬度；（2）有序排列的三維多孔碳球不僅能形成導電網絡實現電損耗，還有助于電磁波在周期性結構內部以及多尺度界面進行散射和多重反射，提升材料將電磁能轉換為熱能的能力；（3）多孔碳球上大量缺陷和雜原子的官能團可以產生費米能級的局域化態，也有利于電磁波的吸收和衰減；并且碳基材料自身易實現電子傳輸，可以通過極化弛豫實現電磁波能量消散；（4）磁性的Co@Co₃O₄納米球引入到多孔碳球上，能繼續改善多孔碳球與空氣介質的阻抗匹配，并引入了以渦流損耗和自然共振為主的磁損耗，這種介電損耗和磁損耗的協同作用進一步增強了材料的吸波性能。

圖3 三維有序多孔Co@Co₃O₄/NMCS的電磁波損耗和吸收機理示意圖

為進一步驗證該吸波復合材料對電磁波的吸收和抑制效果，研究團隊將其涂覆在典型的平面縫隙結構和復雜三維結構上，對結構相應的雷達散射截面（RCS）縮減效果進行了仿真研究。研究結果表明，這種復合材料作為吸波涂層使用可以有效抑制縫隙、二面角等對雷達波有強散射作用結構所產生的反射波、繞射波和行波等，大幅縮減原有結構的RCS，能夠在雷達波段實現良好的隱身效果。

圖4?Co@Co₃O₄/NMCS在金屬上典型縫隙結構應用的仿真研究

該研究得到了國家自然基金，軍委GF基礎加強重點項目，天津市自然科學基金，河北省高等教育重點項目，軍委裝發部國防重點實驗室基金，天津市“131”人才創新工程，天津市材料層狀復合與界面控制技術重點實驗室，特種環境復合材料技術國家級實驗室和中國船舶集團公司七一一所的支持。

本文相關論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.0c03105；

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.020.

該研究團隊近兩年在碳基復合材料電磁防護和吸波領域基礎研究主要成果包括：ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, doi.org/10.1021/acsami.0c03105; Carbon, 2020, doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.020; J. Appl. Phys, 2020,?127, 205102；Chem. Eng. J, 2020,?doi.org/10.1016/j.cej.2020.125322; Carbon, 2020, 157, 427-436; Adv. Mater. Interfaces 2020, 1901815；Composites Communications 2020, 19, 90-98; Carbon 2019, 143, 507-516；Nanoscale 2019, 11, 8616-8625；ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 1228-1238；Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58, 11927-11938；Materialia 2019,?8, 100495；Physica B. 2019, 561, 16-22。

研究論文一作/通訊作者簡介：

袁野，九三學社社員，副教授/博士生導師，河北工業大學材料科學與工程學院金屬材料工程系副主任。2014年7月碩士畢業于廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室，2018年7月博士畢業于哈爾濱工業大學航天學院復合材料與結構研究所，同年9月加入殷福星教授團隊，主要開展碳基復合材料在電磁防護、電磁吸波和隔熱領域的基礎研究與應用工作。河北工業大學“元光學者”，入選天津市“131”創新型人才培養工程。目前主持承擔國家自然科學基金青年項目、軍委GF基礎加強重點項目子課題、軍委裝發部國防重點實驗室基金和河北省高校重點項目等科研項目。參與并完成了國防863、裝發部共用技術、國防科工局軍品配套和軍委科技委重點項目等10余項課題，獲總體設計單位應用證明2項。在電磁防護/吸波材料領域以第一/通訊作者身份在Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、J. Appl. Phys、ACS Sustain. Chem. Eng、Chem.?Eng.?J和Adv. Mater. Interfaces等學術期刊發表SCI 論文20余篇。擔任中國復合材料學會導熱復合材料專委會委員，河北省兵工學會會員，國內外10余種學術期刊特邀審稿人。

張程偉，河北工業大學材料科學與工程學院，副研究員/碩士生導師，河北工業大學“元光學者”。2014年畢業于北京化工大學，同年9月進入河北工業大學殷福星教授團隊，主要開展功能納米材料的制備及其在新能源方向的應用等研究工作，先后獲得國家及省部級項目的支持。以第一/通訊作者身份在ACS Catalysis、Chem. Eng. J.、J. Power Sources、Electrochim. Acta等學術期刊發表SCI論文20余篇。

（投稿：FAST）