河北工业大学：仿Opal结构设计并制备三维有序多孔碳基电磁吸波复合材料

随着5G、人工智能、物联网、大数据及其在高速通信、无人系统、工业互联网、先进能源、航空航天等领域的广泛应用，人类健康和各类装备面临严峻的电磁防护安全问题。如何突破传统思维和方法束缚，发展新型电磁防护和吸波材料，建立电磁波防护新理论，提升电子装备的电磁防护能力是亟需解决的问题。

自然界许多物质具有目前人工系统无法比拟的电磁波响应能力。澳洲宝石（Opal）是一种由二氧化硅纳米微球沉积而成的蛋白石，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因其几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色随之变化。近日，受Opal三维周期性微观结构启发，河北工业大学材料科学与工程学院能源装备材料技术研究院殷福星教授团队袁野副教授和张程伟副研究员通过模板法制备出了具有蛋白石结构（Opal based structure）和反蛋白石结构（Inverse-Opal-based structure）的三维有序多孔碳材料封装Co/Co₃O₄吸波复合材料（Co@Co₃O₄/NMCS和Co@Co₃O₄/NMmC），探索了这两种具有多级孔结构的碳基吸波复合材料在微波频段对电磁波的响应规律，研究了不同组分构成的吸波复合材料在1-18 GHz频段电磁吸波效果，并对材料应用于复杂结构上的雷达散射截面缩减效果进行了仿真研究。两项相关成果分别发表在材料类学术期刊ACS Appl. Mater. Interfaces（doi.org/10.1021/acsami.0c03105）和Carbon（doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.020）上。

图1 三维有序多孔Co@Co₃O₄/NMCS设计与制备示意图

测试结果表明，这种三维有序多孔碳基吸波复合材料在1-18GHz频段范围内表现出了优异的电磁波吸收性能，在5.7 GHz下电磁反射损耗达到了-53.8 dB。

图2 不同Co@Co₃O₄含量的Co@Co₃O₄/NMCS电磁反射损耗云图和性能曲线

这种基于Opal微观结构所设计制备的三维有序多孔碳基吸波复合材料表现出良好的吸波性能，研究人员认为主要的电磁波响应和损耗机理可以归因于如下几点：（1）和固体结构相比，这种仿生设计的多级孔结构有利于降低结构的密度和复介电常数，使得多数电磁波可以进入到吸波体内部实现良好的阻抗匹配，也有利于扩展电磁波的吸收频带宽度；（2）有序排列的三维多孔碳球不仅能形成导电网络实现电损耗，还有助于电磁波在周期性结构内部以及多尺度界面进行散射和多重反射，提升材料将电磁能转换为热能的能力；（3）多孔碳球上大量缺陷和杂原子的官能团可以产生费米能级的局域化态，也有利于电磁波的吸收和衰减；并且碳基材料自身易实现电子传输，可以通过极化弛豫实现电磁波能量消散；（4）磁性的Co@Co₃O₄纳米球引入到多孔碳球上，能继续改善多孔碳球与空气介质的阻抗匹配，并引入了以涡流损耗和自然共振为主的磁损耗，这种介电损耗和磁损耗的协同作用进一步增强了材料的吸波性能。

图3 三维有序多孔Co@Co₃O₄/NMCS的电磁波损耗和吸收机理示意图

为进一步验证该吸波复合材料对电磁波的吸收和抑制效果，研究团队将其涂覆在典型的平面缝隙结构和复杂三维结构上，对结构相应的雷达散射截面（RCS）缩减效果进行了仿真研究。研究结果表明，这种复合材料作为吸波涂层使用可以有效抑制缝隙、二面角等对雷达波有强散射作用结构所产生的反射波、绕射波和行波等，大幅缩减原有结构的RCS，能够在雷达波段实现良好的隐身效果。

图4 Co@Co₃O₄/NMCS在金属上典型缝隙结构应用的仿真研究

该研究得到了国家自然基金，军委GF基础加强重点项目，天津市自然科学基金，河北省高等教育重点项目，军委装发部国防重点实验室基金，天津市“131”人才创新工程，天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，特种环境复合材料技术国家级实验室和中国船舶集团公司七一一所的支持。

本文相关论文链接：

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

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

该研究团队近两年在碳基复合材料电磁防护和吸波领域基础研究主要成果包括：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。

研究论文一作/通讯作者简介：

袁野，九三学社社员，副教授/博士生导师，河北工业大学材料科学与工程学院金属材料工程系副主任。2014年7月硕士毕业于厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，2018年7月博士毕业于哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所，同年9月加入殷福星教授团队，主要开展碳基复合材料在电磁防护、电磁吸波和隔热领域的基础研究与应用工作。河北工业大学“元光学者”，入选天津市“131”创新型人才培养工程。目前主持承担国家自然科学基金青年项目、军委GF基础加强重点项目子课题、军委装发部国防重点实验室基金和河北省高校重点项目等科研项目。参与并完成了国防863、装发部共用技术、国防科工局军品配套和军委科技委重点项目等10余项课题，获总体设计单位应用证明2项。在电磁防护/吸波材料领域以第一/通讯作者身份在Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、J. Appl. Phys、ACS Sustain. Chem. Eng、Chem. Eng. J和Adv. Mater. Interfaces等学术期刊发表SCI 论文20余篇。担任中国复合材料学会导热复合材料专委会委员，河北省兵工学会会员，国内外10余种学术期刊特邀审稿人。

张程伟，河北工业大学材料科学与工程学院，副研究员/硕士生导师，河北工业大学“元光学者”。2014年毕业于北京化工大学，同年9月进入河北工业大学殷福星教授团队，主要开展功能纳米材料的制备及其在新能源方向的应用等研究工作，先后获得国家及省部级项目的支持。以第一/通讯作者身份在ACS Catalysis、Chem. Eng. J.、J. Power Sources、Electrochim. Acta等学术期刊发表SCI论文20余篇。

（投稿：FAST）