在Ku波段下，氧化铁-活性炭复合材料的宽带微波吸收特性得到改善，同时其电磁性能也得到了提升

《Next Materials》：Broadband microwave absorption and improved electromagnetic performance of iron oxide–activated carbon hybrid composites in the Ku-band

铁氧化物与生物废料衍生活性炭复合材料的制备及其微波吸收性能研究。采用高能球磨法将铁氧化物与活性炭按不同比例复合，发现20%活性炭时复合材料在Ku波段（12-18 GHz）实现最低反射损耗-39.09 dB，吸收效率99.9%，带宽5.28 GHz。其高效吸波机制源于铁氧化物与活性炭的协同效应，包括界面极化、介电损耗和磁损耗的增强，同时兼顾成本效益和环保性。

　　本文探讨了通过引入由生物废弃物制备的活性炭（AC）来增强铁氧化物（IO）复合材料的微波吸收性能。研究中采用了一种成本效益高的球磨法，将商业来源的活性炭与铁氧化物结合，合成出具有高导电性的复合材料。实验结果显示，活性炭的加入显著提高了反射损耗，这是由于增强了界面极化效应。同时，IO的介电常数和介电损耗角正切值也随着活性炭的引入而增加。为了评估这些复合材料的微波吸收性能，研究人员将它们嵌入环氧树脂中，制成2毫米厚的单层结构。IO/AC混合复合材料表现出卓越的微波吸收能力，吸收效率超过99.9%，其最小反射损耗达到?39.09?dB，并且在Ku波段（12–18?GHz）范围内实现了5.28?GHz的吸收带宽。这一研究引入了生物废弃物衍生活性炭作为增强IO微波吸收性能的新应用，突显了一种可持续且经济高效的策略，用于开发高性能的电磁波吸收材料，有助于减少废弃物和推动环境可持续性。

微波吸收材料（MAMs）在缓解电磁污染、保护人类健康以及推进隐身技术，特别是在军事领域中具有关键作用。随着MAMs在民用和国防行业中的广泛应用，研究者们越来越关注开发薄型、高效率和宽带的吸收材料，以满足现代技术的需求。MAM的设计策略包括物理结合不同吸收材料、化学改性吸收剂以及开发先进的单层结构。MAM的性能受到其结构尺寸的显著影响，例如三维材料如铁氧体、二维材料如石墨烯以及一维材料如碳纳米管，它们各自提供了不同的优势，以增强微波吸收能力。这些结构影响了诸如表面积、界面极化和电磁波散射等关键因素，从而决定了材料的吸收效率。

为了实现有效的微波吸收，MAMs必须满足两个关键条件：一是与周围环境实现阻抗匹配，二是有效地减弱入射电磁波的强度。阻抗匹配依赖于复介电常数（ε）和复磁导率（μ）之间的相互作用，它们控制材料储存和耗散电和磁能的能力。为了实现最佳吸收效果，材料的介电常数和磁导率必须与自由空间的值相平衡，以最小化反射。具有高介电常数但低磁导率的材料往往由于高表面电阻而反射入射波，而高磁导率但低介电常数的材料则允许波通过，但缺乏足够的衰减。

文献回顾强调了同时调整介电常数和磁导率对于实现有效的电磁波吸收的重要性。碳基填料如碳纳米管、石墨烯和活性炭常用于增强介电常数，而磁性材料如铁氧体则有助于提高磁导率。这两种材料的协同结合有助于实现更好的阻抗匹配，使电和磁损耗共同作用，提高吸收性能。最近的研究表明，通过调整碳和磁性填料的比例，可以精细调控这些特性，从而在广泛频率范围内实现增强的性能。在雷达吸收和电磁干扰（EMI）屏蔽等应用中，平衡介电常数和磁导率尤为重要，因为需要高效的波衰减和宽频率响应。

铁氧化物（Fe?O?）因其在电磁波吸收应用中的潜力而受到关注。尽管Fe?O?的磁导率低于其他磁性材料，但它通过不同的磁损耗机制对电磁波的衰减作出贡献。其小粒径增强了界面极化，使电磁波发生多次反射。将Fe?O?与其他材料结合已被证明可以改善其吸收性能。例如，黄等人通过水热法合成的Fe?O?/MWCNT/Fe?O?复合材料通过调整MWCNT含量实现了增强的微波吸收。同样，卢等人开发的CuS/γ-Fe?O?范德华异质结构中，γ-Fe?O?纳米颗粒嵌入CuS纳米片之间，以优化介电和磁损耗，尽管其带宽仍然有限。

活性炭（AC）是另一种广泛认可的电磁波吸收材料，因其高导电性有助于波的耗散。其大的表面积也增强了填料与基体之间的相互作用，从而提高了整体吸收效率。在本研究中，采用了一种由椰壳衍生的活性炭与铁氧化物复合，以评估其微波吸收能力。复合材料具有碳层和周期性Fe?O?形态，通过高能球磨（HEBM）来调整其磁性和导电性。这种混合材料由于Fe?O?和AC之间的更好能量传递，表现出增强的电磁波吸收性能。

本研究通过理论模型和实际应用之间的桥梁，突出了碳基和磁性填料的协同效应。IO/AC混合复合材料展示了在宽频范围内的吸收潜力，使其成为雷达吸收和EMI屏蔽的理想候选材料。研究还提供了关于优化结构-性能关系的见解，有助于开发先进的MAMs，适用于民用和军事应用。

在材料和实验部分，研究团队使用了来自Alfa Aesar的IO，其粒径范围为50至100纳米，纯度为99%。而由PT Cahaya Indo Abadi提供的椰壳衍生活性炭具有平均粒径小于10微米，纯度超过97%，表面积大于240平方米/克。为了制备IO粉末，使用了高能球磨法，通过700转/分钟的SPEX 8000D球磨机，在球料比为10:1的情况下进行9小时的球磨。然后，将IO粉末与不同质量百分比的AC混合，并再次进行30分钟的球磨处理。复合材料的制备过程中，将球磨后的IO粉末与AC混合，并与环氧树脂（Araldite 506，Sigma Aldrich）和硬化剂（EpoxiCure 2，Buehler）按70:30的重量比混合。混合物使用迷你涡旋混合器以3000转/分钟的速度混合30分钟，最终将IO/AC复合材料的混合物放置在Ku波段矩形波导样品夹中，厚度为2毫米。样品在室温下干燥24小时。

为了评估材料的特性，进行了X射线衍射（XRD）分析，使用Philips X′pert Diffractometer（Model PW 3040/60 MPD X’pert High Pro，Panalytical，荷兰）在20°至80°的2θ范围内进行。磁性特性则通过振动样品磁强计（VSM）（Model Lakeshore 7404，Ohio，美国）在室温下进行，最大磁场为10千奥斯特。纳米颗粒的尺寸、微观结构和形貌则通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）（Model FEI Nova Nano 230，美国）进行分析，该系统配备了能量色散X射线光谱（EDS）（Oxford Instrument，Model Max 20）以进行元素分析。拉曼光谱则通过Witec，Oxford Instrument，Model Alpha 300?R（德国）获取。电磁波吸收性能则使用Agilent Vector Network Analyzer（VNA）（Model N5227A，美国）在Ku波段（12–18?GHz）频率范围内进行测试，样品厚度为2毫米。测量采用传输/反射线方法，在矩形波导设置中进行。

XRD分析显示，合成的铁氧化物纳米颗粒在9小时球磨后表现出更宽的峰，表明晶粒尺寸减小，但保持了原始的IO相。这些峰与标准参考模式（ICPDS卡号98–006–9763）一致，确认了形成单一相的赤铁矿（α-Fe?O?）结构。未检测到其他峰，表明高相纯度。平均晶粒尺寸约为11.02纳米，表明具有纳米晶体特征。值得注意的是，这类复杂氧化物的电和磁性能受到平均晶粒尺寸及其分布的影响。

在生物废弃物衍生活性炭（AC）的XRD分析中，观察到了在2θ值为27.47°和42.67°处的宽峰，对应于石墨碳的（002）和（100）平面，与ICPDS卡号74–2330一致。这些宽峰表明AC材料具有非晶态或低结晶度的结构，这是活性炭的典型特征。在IO/AC复合材料的XRD图谱中，主要反映了α-Fe?O?的特征峰，未见峰位显著偏移，表明活性炭的引入未改变赤铁矿的相。然而，在2θ = 24.14°附近出现的明显突起表明复合材料基质中存在非晶态碳。球磨用于增强铁氧化物在复合材料基质中的分散性。XRD分析显示，铁氧化物的特征衍射峰在球磨后保持不变，表明没有发生相变。然而，峰的轻微变宽表明晶粒尺寸减小，这与FESEM观察到的颗粒分布一致。尺寸减小有助于增强铁氧化物与活性炭之间的界面极化，从而提高微波衰减性能。此外，先前研究表明，碳基质可以作为保护层，防止铁氧化物纳米颗粒氧化，从而保持其磁性和电磁性能。这表明IO/AC复合材料不仅在分散性和界面极化方面有所改善，还具有更好的长期稳定性。

为了确定活性炭的引入对铁氧化物磁性的影响，研究团队分析了所制备复合材料的饱和磁化和矫顽力。通过VSM技术获得的磁滞回线显示，纯铁氧化物的饱和磁化值为2.2402?emu/g，而IO/AC复合材料的饱和磁化值下降至1.6488?emu/g。根据先前研究，这种饱和磁化值的下降可能归因于磁性铁氧体与非磁性活性炭之间的净磁矩减少。值得注意的是，磁滞回线显示，随着活性炭的加入，复合材料的矫顽力（Hc）增加。这种Hc的增强可能归因于IO纳米颗粒与AC之间的界面各向异性和钉扎效应，这阻碍了磁畴壁的运动。磁滞回线中显示的偏移可能归因于多种因素，包括铁磁和反铁磁相之间的交换偏置效应，以及纳米颗粒的尺寸、分布和表面效应，还有磁晶各向异性。表面变化和IO与AC之间的相互作用进一步影响磁性特性。偏移还可能受到铁氧化物与活性炭界面处的缺陷、应变诱导各向异性和不同磁性相之间的界面交换耦合的影响。偏移在AC（80?wt%）和AC（60?wt%）样品中尤为明显，而在其他样品中不明显。这表明在某些AC浓度下，磁性和非磁性成分之间的相互作用更为显著，从而导致磁滞回线的可观察偏移。特别有趣的是，AC（80?wt%）的磁化在1200–5000?Oe范围内为零，这主要归因于铁氧化物纳米颗粒的超顺磁性，这种特性受到其纳米尺度的影响，并且与活性炭基质的效应相互作用。

VSM结果还表明，调节Fe?O?与活性炭的比例可以有效控制复合材料的磁导率和介电常数，从而实现更好的阻抗匹配。这一发现支持了理论模型，即介电常数和磁导率之间的平衡对于优化微波吸收性能至关重要。高结晶度和相纯度，如XRD图谱中所显示的尖锐且明确的峰，通过增强极化和减少介电损耗，提高了IO/AC复合材料的介电性能。识别出的不同铁氧化物相影响磁性行为，不同的相可以提高矫顽力和饱和磁化。尽管本研究中未直接通过TEM或XPS进行界面分析，但FESEM观察到的异质结构和频率依赖的介电弛豫行为（如图5所示）表明存在界面极化效应，这与之前的报告一致。

进一步分析了复合材料的介电和磁性行为，作为频率函数。复介电常数（ε = ε′ – jε″）和复磁导率（μ = μ′ – jμ″）提供了关于电磁（EM）能量存储和耗散的见解。对于微波吸收应用，高损耗是理想的，因为它可以减少入射EM波的能量，而高介电材料通常用于能量存储设备。图6和图7（a, b）显示了IO/AC复合材料的ε′、ε″、μ′和μ″值。它们可以通过以下公式表示：其中，ε′和ε″分别代表介电常数的实部和虚部，μ′和μ″分别代表磁导率的实部和虚部。这些参数有助于理解电磁波如何被材料吸收和耗散。

图6和图7展示了在不同填料含量（20, 40, 60, 和80?wt%）和2毫米厚度下，Ku波段电气介电常数的变化。图6显示，随着活性炭含量的增加，ε′和ε″呈现出上升趋势。这种行为归因于活性炭的高导电性，它改善了系统的电荷传输特性。此外，根据Maxwell-Wagner效应，铁氧化物和碳相之间的界面极化会在两相边界上产生电荷积累区域，从而增强介电响应。这种界面极化是微波吸收的关键机制，因为它通过偶极子弛豫将EM波能量转化为热量。

观察到的介电损耗因子（ε″）的增加直接促进了微波能量的衰减，通过多种吸收模式，包括导电损耗、偶极子极化和界面极化。活性炭被添加到铁氧化物基体中，以产生导电网络，从而允许自由电荷流动，引起电阻损耗和局部加热。如果这些元素结合在一起，它们可以改善复合材料的电磁波衰减能力。因此，材料在微波吸收和电磁干扰（EMI）屏蔽中的应用得到了支持，特别是在Ku波段频率范围内，整体介电损耗行为得到了改善。

图7展示了IO、AC和IO/AC混合复合材料的复磁导率（μ_r）的实部（μ′）和虚部（μ″）在Ku波段的频率依赖行为。结果表明，作为非磁性材料的活性炭对复合材料的磁响应影响微乎其微，而铁氧化物则保持主导的磁行为。虚部磁导率（μ″）在IO和20?wt% AC复合材料中达到最高值，表明磁能耗散较强。这些磁损耗主要来源于磁滞、涡流损耗和磁共振，是微波吸收的关键机制。在较低的AC含量（如20?wt%）下，磁性IO颗粒保持较强的耦合，从而促进有效的磁畴壁运动和界面极化。这导致了增强的磁滞和弛豫损耗，从而增加了虚部磁导率和吸收能力。然而，随着AC含量的增加，IO颗粒在非磁性基体中被稀释，破坏了磁性路径并减少了能量耗散。这导致磁损耗减少和吸收效率降低。因此，20?wt%的IO/AC复合材料在磁性和介电贡献之间实现了最佳平衡，使其成为Ku波段高效微波吸收的有力候选。

为了进一步分析所制备复合材料的能量耗散机制，研究团队导出了介电和磁损耗正切曲线。这些参数量化了由于极化弛豫和磁畴运动导致的能量损耗，并分别定义为以下公式：其中，tan δ?（介电损耗正切）反映了电磁能通过偶极子弛豫、导电损耗和界面极化转化为热量的过程，而tan δ?（磁损耗正切）则反映了磁能通过磁畴壁共振、涡流损耗和自旋弛豫的耗散。这些损耗参数是材料吸收和耗散电磁能量而非反射其能力的重要指标。

图8展示了不同活性炭含量（20, 40, 60, 和80?wt%）下IO/AC混合复合材料的介电和磁损耗正切曲线。介电损耗正切曲线（图8a）与虚部介电常数（ε″）的行为一致，其中tan δ?在80?wt% AC时达到峰值0.64，表明活性炭通过增强界面极化和导电性显著贡献于介电损耗。同时，图8b中的磁损耗正切曲线显示，纯IO表现出更高的tan δ?值（约0.11在13.23?GHz），这证实了磁性损耗机制如自然共振和磁滞损耗的存在。表1总结了不同AC含量下IO、AC和IO/AC复合材料的介电常数、磁导率和损耗正切的平均值。

在GHz范围内，吸收材料中的磁性损耗机制主要归因于涡流损耗、自然共振、磁畴壁共振和交换共振。其中，涡流损耗是由复合材料导电组分中的感应环形电流引起的，其影响可以通过涡流系数（C?）进行评估。C?的值由以下公式定义：其中，频率无关的C?表明涡流行为占主导地位。图11显示，在IO/AC复合材料中，特别是含有20?wt% AC的样品，C?值在12至16?GHz范围内波动显著，与其他样品相比，其涡流趋势相对稳定。这种波动表明涡流可能不是该系统中磁性损耗的主要贡献者。相反，观察到的微波吸收更可能由自然共振和交换共振主导，这些机制与颗粒尺寸、各向异性场和磁畴动力学密切相关。自然共振通常在GHz的低频范围内占主导地位，与磁矩在交变场中的进动有关，而交换共振则在高频下由于相邻原子或纳米颗粒之间的磁相互作用而发生。此外，铁氧化物与活性炭基质之间的界面效应可以促进磁弛豫和局部场畸变，进一步增强能量耗散。

在16–18?GHz范围内，C?值的稳定性表明非涡流机制如自旋旋转、磁畴壁共振和界面极化在衰减入射电磁波方面起主导作用。IO/AC复合材料中介电和磁损耗的协同作用，通过异质界面促进了阻抗匹配、衰减增强和多重散射，这些都是实现有效宽带微波吸收的关键因素。值得注意的是，该复合材料在Ku波段表现出强反射损耗（> ?30?dB）和宽频吸收能力，且在极薄涂层下即可实现，这突显了其在电磁干扰（EMI）屏蔽和隐身技术中的适用性。

在结论部分，研究人员成功制备了一种Ku波段的雷达吸收材料，采用铁氧化物（IO）和生物废弃物衍生的活性炭（AC）。IO/AC混合复合材料表现出改善的电学特性，随着活性炭含量的增加，界面极化效应增强。IO的介电常数从5.53增加到7.87，而IO/AC混合材料（20?wt%）的饱和磁化从2.2402?emu/g下降至1.6488?emu/g。IO/AC混合复合材料的虚部介电常数显著高于纯IO，表明介电损耗对微波吸收性能有显著影响。混合材料中介电和磁损耗的协同作用导致了增强的电磁衰减和有效的阻抗匹配。磁性损耗主要归因于涡流效应。在合成的材料中，AC（20?wt%）复合材料表现出最佳性能，达到?39.09?dB的最小反射损耗，并在14.40至17.25?GHz的范围内实现了99.9%的吸收带宽。这些发现表明，IO/AC混合复合材料具有高度有利的磁性和介电性能，使其成为微波吸收应用的有前途的候选材料。除了电磁波吸收，这些复合材料还可能在能量存储和环境技术应用中发挥作用，进一步拓宽其实际应用范围。

在作者贡献声明中，Bello Murtala Alhaji负责概念化、调查、方法论、数据管理、撰写初稿和审阅编辑。Raba’ah Syahidah Azis负责概念化、资金获取、监督、撰写审阅和初稿、资源。Nurul Asiya Nadhirah Binti Yusmadi负责调查和正式分析，数据管理。Ismayadi Ismail负责监督和撰写审阅。Nurul Huda Osman负责监督和撰写审阅。Muhammad Kashfi Shabdin负责撰写审阅和监督。Abubakar Yakubu负责监督和撰写审阅。Yusuf Sani负责验证和正式分析。