信息來源：Journal of Materials Chemistry C
第一作者:Yan Guo
通訊作者:劉春太、劉虎
通訊單位：鄭州大學 材料成型過程與模具教育部重點實驗室
文章鏈接：
https://doi.org/10.1039/D1TC04494J
近年來，低成本生物質(zhì)基碳氣凝膠已成為一種很有前途的高效電磁波吸收材料，但其阻抗匹配不良和其單損耗機制的問題導(dǎo)致吸收電磁波性能較差。本研究水熱處理Fe2+/Co2+吸附纖維素水凝膠，冷凍干燥后得到氣凝膠，將均勻分散的CoFe2O4顆粒(CoFe2O4@CA)與纖維素氣凝膠煅燒，制備得到磁性FeCo合金納米顆粒修飾的纖維素基碳氣凝膠(FeCo@CCA)。水熱合成法可以有效保證磁性FeCo合金納米顆粒煅燒產(chǎn)物的均勻分散，有利于阻抗匹配，增加磁損耗，提高介電損耗。氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)也會形成多次反射/散射，使入射EMW衰減更多。結(jié)果表明，通過改變金屬離子濃度，可以有效調(diào)節(jié)制備的FeCo@CCA的EMW吸收性能，金屬離子濃度為100 mmol L-1的產(chǎn)物(FeCo@CCA100)具有最強的EWM吸收能力，在9.84 GHz、厚度為4.05 mm時反射損耗最小(RLmin)為-49.5 dB，有效吸收帶寬最大(EABmax ,RL<-10 dB)的頻率為10.88 GHz (6.96-17.84 GHz)，覆蓋了整個Ku和X波段以及幾乎一半的C波段。本研究為開發(fā)高效的纖維素基碳氣凝膠EMW吸收劑提供了指導(dǎo)。
碳基材料以其高導(dǎo)電性、重量輕、物化穩(wěn)定性好、密度低、介電性能可調(diào)等特點被廣泛應(yīng)用于EMW吸收材料中。由于碳和空氣之間的阻抗匹配不良，其過高的導(dǎo)電性往往會導(dǎo)致入射EMW的不良反射。為解決這一問題，碳基氣凝膠具有三維結(jié)構(gòu)特殊、孔隙率高、密度低、重量輕、比表面積大等優(yōu)點，在EMW吸收材料的制備中越來越受到重視，高體積分數(shù)的空氣也可以有效地優(yōu)化阻抗匹配。纖維素氣凝膠內(nèi)部豐富的空氣/碳骨架界面也可以通過強介電弛豫和界面極化增強EMW的衰減。更重要的是，這種特殊的三維(3D)結(jié)構(gòu)可以通過相鄰細胞壁之間的多次反射/散射，產(chǎn)生更多的內(nèi)部傳輸通道，大大提高EMW的吸收性能。
磁材料和碳材料的結(jié)合，可以優(yōu)化阻抗匹配，同時提供額外的磁損耗容量，被認為是實現(xiàn)碳材料高效EMW吸收的另一種有效設(shè)計策略。磁性粒子與碳材料之間豐富的非均勻界面也會對入射EMW造成較大的界面極化損耗，從而衰減更多的電磁能。
圖1 FeCo@CCA制備過程示意圖
圖2 (ac) CoFe2O4@CA-100和(df) FeCo@CCA-100的SEM圖像，(g) CoFe2O4@CA-100和FeCo@CCA-100的XRD譜圖，(h, i)室溫下FeCo@CCA-50、FeCo@CCA-100、FeCo@CCA-150的磁滯回線。
圖3 (a) FeCo@CCA-50， (b) FeCo@CCA-100， (c) FeCo@CCA-150的三維RL圖。(d) FeCo@CCA-100的二維RL投影映射。(e) FeCo@CCA-100和其他報告的RLmin與EABmax。
圖4 (a)介電常數(shù)的實部，(b)介電常數(shù)的虛部，(c)介電損耗切線，(d)磁導(dǎo)率的實部，(e)磁導(dǎo)率的虛部，(f) FeCo@CCA-50、FeCo@CCA-100和FeCo@CCA-150的磁損耗切線。
圖5 (a) Cole Cole圖，(b) C0與頻率曲線，(c)阻抗匹配，(d) FeCo@CCA-50、FeCo@CCA-100和FeCo@CCA-150的衰減常數(shù)。
圖6 制備的FeCo@CCA的EMW吸收機理
