鐵磁金屬基復合材料電磁波吸收研究進展

王剛，張棟

（1.國能遼寧環保產業集團有限公司沈水灣污水處理廠，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽化工大學 資源化工與材料教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110142）

經過150多年的孕育和發展，電磁技術已經成為當今社會最重要的科技來源之一，幫助我們實現了智能信息和通信的夢想，并已深入到我們生活的方方面面[1-2]。然而，各種數量級增長的電子設備也會產生一些不良的副作用，如電磁波的過量輻射會導致電磁干擾和污染[3-4]。對電磁污染級電磁輻射的防范正在演變為一個廣泛關注的社會問題[5-6]。在過去的幾十年里，電磁吸收逐漸比傳統的電磁屏蔽受到更多的關注，因為它可以通過能量轉換而不是物理反射的方式來實現入射電磁波的耗散，從而大大降低了二次電磁污染的風險[7-8]。在軍事領域，電磁吸收技術也為降低機動武器裝備的雷達截面和信息泄露概率提供了有效的策略[9-10]。

眾所周知，電磁波在空間中通過電場和磁場以相同的方向相互垂直傳播，這就決定了有兩種可能的途徑可以中斷電磁波的傳播，并最終通過與電場或磁場分支的相互作用實現電磁波的吸收耗散。因此，具有吸收特性的電磁功能介質，通常被定義為電磁波吸收材料，可分為磁損耗型和介質損耗型兩類[11-12]。鐵磁金屬由于其良好的性能，在電磁吸收的早期研究中占據主導地位，其中一些電磁體，如羰基鐵等已成功開發為商用電磁體[13]。但其高密度和填料負載無法滿足即將到來的新一代電磁吸收技術的應用要求，特別是其易氧化、腐蝕等固有缺陷，極大地制約了其在一些室外惡劣條件下的長期使用，如高溫暴露、潮濕、鹽霧等[14]。在眾多介電候選材料中，SiO2介電層表現出良好的化學穩定性，可以在很大程度上保護磁性材料不容易氧化和腐蝕，更重要的是，SiO2的介電性能可裁剪、密度低、形態多樣、儲量豐富，顯示出巨大的潛力。

在電磁吸收領域，核殼結構鐵磁金屬基復合材料正成為一種極具吸引力的潛在材料，在電磁污染防治方面具有廣闊的應用前景，國內外相關文獻的數量呈數量級增長。因此，梳理這一研究分支的現狀和總結共性發現，挖掘隱藏的線索，將有助于相關領域的研究人員取得更多的突破。本文從內置鐵磁金屬和外置介電層入手，介紹了核殼鐵磁金屬基復合材料的研究進展。在此基礎上，對目前核殼碳基復合材料發展面臨的挑戰和機遇進行了深入探討，并對未來的研究提出了一些展望。

1 吸波材料的特點及分類

吸波材料一般由吸收劑和基體材料兩部分組成。吸收劑主要提供吸波性能，基體材料起到黏連或作為吸收劑載體的作用。吸收劑是電磁波吸收材料的關鍵材料。目前，吸波材料主料分為涂覆型和結構型[15]。結構型吸波材料是指直接設計需要電磁防護的器件外殼，使其可以通過損耗達到減弱電磁波能量的一種材料，結構型吸波材料的成型工藝復雜，限制了其應用領域。涂覆型吸波材料是指用高效吸波劑作為填料，然后混合石蠟、樹脂、橡膠等具有透波性的基體，直接涂覆在需要電磁防護的器件表面的一類材料。控制涂覆型吸波材料的性能可通過控制吸收劑的性能來實現，調節吸收劑的組分、微觀形貌和涂層厚度可以調節涂層材料的吸波性能。因此，涂覆型吸波材料具備工藝簡單、性能易于調節等優點，具有最廣泛的應用。

2 鐵磁金屬基核殼結構復合材料的研究應用現狀、制備方法及特點

2.1 鐵磁金屬基核殼結構復合材料的制備方法

目前常用的制備鐵磁金屬基核殼結構復合材料的方法包括水熱法、原位聚合法、化學鍍法、電弧法等。隨著電磁波吸收材料的發展，研究學者們通過結合其他結構的制備方法與傳統方法設計并制備了多種不同形貌的核殼結構鐵磁金屬基復合材料。

水熱法[16]采用水溶液作為反應體系，在高溫高壓的環境下進行無機合成材料的有效方法，因其操作簡單，分散性好，能通過簡單的改變反應條件來控制包覆層厚度，目前被廣泛應用。但是由于反應在密閉高溫高壓下進行，產生的廢液、廢氣可能對環境和身體健康造成不良影響。原位聚合法[16]通常將磁性微粒超聲分散在反應體系中，加入相應的活性劑，引發聚合，從而在磁性粒子表面形成包覆層，進而得到核殼結構復合材料。缺點在于實驗周期長，步驟繁瑣。化學鍍法[17]是通過氧化還原反應將金屬鍍層沉積到基體表面的方法。通常化學鍍法制備的核殼結構復合材料的鍍層厚度均勻，電鍍液分散性高。缺點在于易氧化，壽命短，穩定性差，需要特定的方式進行存儲且鍍覆速率慢。電弧法[18]實質上是一種自持放電現象，在一定條件下使正負極之間的氣體空間導電，從而將金屬陽離子在陽極的高溫下蒸發，最終沉積在陰極的基體表面得到核殼結構復合材料。

2.2 鐵磁金屬基和核殼結構復合材料的特點

為了提高鐵磁金屬材料的性能，越來越多的研究團隊將研究的重點放在了鐵磁金屬基復合材料的構建上。近年來的研究表明，Fe、Co、Ni及其合金和介電層（如SiO2、TiO2和碳材料）都可以有效地優化電磁特性，改善阻抗匹配，豐富損耗機制[19]。例如，將不同的電磁組分與SiO2材料組裝成獨特的核殼結構，即由核（內組分）和連續均勻的殼（外層組分）組成的同心雙層納米結構。如CHEN[20]等報道生物質制備的鐵磁金屬微球，Co微球在Ku波段表現出良好的電磁波吸收性能，其最小RL強度和EAB分別為 37.2 dB和 5.7 GHz，匹配厚度為2.0 mm。遺憾的是，當入射電磁波的頻率超出 Ku波段時，這些復合微球的性能會大大降低。在鐵磁金屬球表面引入SiO2殼，不僅可以通過磁損耗機制獲得預期效率，還可以建立核殼構型來增加界面協同效應，被認為是增強電磁性能的一種有效策略。CHEN[21]等基于溶液化學和氫熱處理開發了鐵磁金屬/合金顆粒制備及處理的工藝方法，實現了 SiO2介電層與鐵磁顆粒的復合，如圖1所示。然而，Co顆粒的吸波性能并沒有帶來明顯的改善，其最小RL強度和EAB分別只有 16.0 dB和 2.0 GHz（7.6~9.6 GHz）。CHEN[22]等進一步在Co7Fe3微球表面包覆了二氧化硅介電層，二氧化硅的存在對阻抗匹配和介電損耗做出了堅實的貢獻，在一定程度上鞏固了復合材料在S和C波段的吸收性能，如圖2所示。

圖1 不同包覆時間Co基鐵磁金屬@SiO2顆粒的SEM和TEM圖

圖2 Co7Fe3@TiO2納米球的制備示意圖及不同厚度下的反射損耗

CHEN[23]等研究了水熱還原條件下Ni、Co復合SiO2殼層的評價，除了鐵磁金屬基復合材料的固有損耗特性外，核殼結構的形成賦予了復合顆粒新的性能。首先，核殼結構有利于鐵磁金屬材料與介電組分的充分接觸，產生的充足非均質界面會通過強大的極化效應顯著增加入射電磁波的能量消耗。其次，核殼結構可以進一步激發核殼之間的協同效應，有效優化阻抗特性，拓寬響應帶寬[24]。第三，核殼結構為分別對核及殼進行更詳細的微結構設計提供了機會。其中分層微結構的形成可以增強入射電磁波的多重反射和散射，從而增強吸收性能[25]。第四，核殼復合材料具有良好的化學均勻性，可以有效消除常規復合材料中的成分偏析，從而使其電磁參數穩定，而不是依賴于某些非科學參數（如攪拌時間、攪拌速度、分離方法）的隨機性能[26]。第五，核殼復合材料通常具有良好的分散性，便于在實際應用中進一步加工。

3 結語與展望

雖然這些核殼鐵磁金屬基復合材料在電磁吸收方面取得了相當大的成就，但在性能和應用方面仍存在一些挑戰。一是低頻電磁吸收亟待提高。到目前為止，大多數復合材料在中高頻范圍（8.0~18.0 GHz），即使施加較小的吸波厚度也能產生良好的電磁吸收性能，而在低頻范圍（2.0~8.0 GHz）則不能保持良好的性能，除非吸波厚度累積到5.0 mm。這是由于介電損耗或者磁損耗不能滿足低頻的要求。因此，對其電磁性能進行合理的調控仍然是成分優化和微觀設計的迫切要求。只有解決了這個問題，才有可能真正收獲2.0~18.0 GHz全頻率范圍內寬帶響應。其次，除電磁吸收性能外，環境耐受性也應受到重視，因為它與吸波材料在實際應用中的可用性和壽命密切相關。眾所周知，吸波材料通常在室外環境中使用，可能涉及酸性/堿性、大濕度、高溫、濃鹽霧等環境，良好的環境耐受性將保證其在一些苛刻的室外條件下持久使用。鐵磁金屬顆粒是高性能吸波材料的典型候選材料，而腐蝕和氧化敏感性限制了其在復雜情況下的應用。從這一角度來看，構建穩定的介電復合材料，是鐵磁金屬顆粒很有吸引力的發展方向。目前吸波材料的設計和構建多基于研究者的經驗，僅根據幾個研究團隊的結果很難總結出電磁吸收的宏觀變化規律。如果能夠建立一個包含電子能譜組成、微觀結構和性能等信息的龐大數據庫，通過計算機的綜合分析和計算，就可以推斷出理想電子能譜的預測結果，這將大大縮短探索高性能電子能譜的時間和成本。因此，在未來機器學習的概念有望在電磁吸收方面發揮關鍵作用。