具有强磁耦合特性的项链状FeCoNi@N掺杂多孔碳纳米纤维，用于高性能微波吸收

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Necklace-structured FeCoNi@N-doped porous carbon nanofibers with strong magnetic coupling for high-performance microwave absorption

一维项链状FeCoNi@NPCNFs通过水热合成、共轴电纺及可控碳化实现，其均匀分散的磁性纳米颗粒与多级孔结构协同作用，使材料在1.46 mm厚度下最小反射损耗达-52.36 dB，有效吸收带宽5.52 GHz（1.66 mm），显著优于单一组分材料。

　　在当今科技迅速发展的背景下，电磁波（EMW）的吸收材料正变得越来越重要。随着无线通信技术的广泛应用和电子设备的普及，电磁辐射和干扰问题日益严重，不仅对人类健康和生物系统构成潜在威胁，也影响了电子设备的稳定性和精确性，甚至可能对国家安全产生影响。因此，开发高效、性能优异的电磁波吸收材料成为解决这些问题的关键手段。这类材料能够通过将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量，从而有效减少电磁污染。

传统的电磁波吸收材料，如铁氧体，虽然在某些方面表现良好，但在GHz频段的性能通常不如磁性金属及其合金。磁性金属，如铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等，具有较高的饱和磁化强度、磁导率和Snoek极限，因此在微波吸收领域展现出更强的潜力。然而，这些磁性金属材料在单独使用时存在诸多问题，如密度高、分散性差、阻抗匹配不佳以及在空气中容易氧化或腐蚀，这限制了它们的实际应用效果。

近年来，研究者发现通过将磁性金属与轻质碳材料（如碳纤维、碳纳米管、石墨烯等）结合，可以构建出具有多损失机制的复合材料，不仅提升了磁性金属的吸收性能，还改善了阻抗匹配。这种多组分复合材料在电磁波吸收领域表现出良好的前景，尤其是在一维（1D）碳基材料方面。这些材料因其高长宽比、强各向异性和空间限制效应，能够有效增强导电损耗和极化损耗，从而提高整体的吸收能力。

为了克服传统方法在材料制备上的局限，研究者们尝试了多种合成策略。例如，溶液相反应和模板辅助方法虽然在一定程度上可行，但往往伴随着较高的成本、较低的效率以及复杂的操作流程。相比之下，电纺丝技术提供了一种更为高效且可扩展的替代方案。电纺丝技术不仅能够实现材料的多样化设计，还能精确控制纤维的取向和形态，并在不发生聚集的情况下实现纳米颗粒的均匀分散。此外，电纺丝技术还能够制备出复杂的结构，如空心纤维、核壳结构和多孔网络。这些结构可以在单一步骤中完成，因此在电磁波吸收应用中具有更大的吸引力。

在本研究中，我们通过一种简便的水热辅助电纺丝和碳化方法，成功制备出了一维项链状结构的FeCoNi@NPCNFs（FeCoNi纳米颗粒嵌入氮掺杂多孔碳纳米纤维）。通过精确调控FeCoNi纳米颗粒的尺寸和含量，我们实现了纳米颗粒在氮掺杂多孔碳纳米纤维中的均匀分散，从而增强了磁性各向异性和饱和磁化强度。这种合理的结构和组分设计使得多组分异质结构（氮掺杂碳壳层、双相FeCoNi纳米颗粒）能够协同作用，引入多样的电磁损耗机制，并实现最佳的阻抗匹配。因此，FeCoNi@NPCNFs在极薄厚度下表现出卓越的电磁波吸收性能，最低反射损耗（RLmin）达到-52.36 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.52 GHz（11.70–17.22 GHz），显著优于单一组分的FeCoNi@CNFs（RLmin为-17.08 dB，EAB为4.75 GHz）。

本研究的创新之处在于设计了一种新颖的结构，即项链状的FeCoNi@NPCNFs。这种结构不仅在微观层面提供了丰富的异质界面，从而增强极化损耗，还在宏观层面通过多孔结构提升了电磁波的多次反射和散射，有效促进了电磁能量的耗散。此外，通过水热合成、同轴电纺丝和受控碳化相结合的方法，我们能够实现对纳米颗粒空间分布的精确调控，确保其在碳纳米纤维中的均匀分散，从而增强磁性耦合效应，提高整体的磁性性能。

在实验过程中，我们首先通过低温水热反应制备了FeCoNi纳米颗粒（约450 nm）。在这个过程中，二价金属离子（Fe2?、Co2?、Ni2?）与氢氧根离子反应，生成金属氢氧化物沉淀。随后，在水合肼提供的强还原环境下，这些氢氧化物逐渐释放金属离子，并在原位进行还原。这一过程不仅确保了纳米颗粒的高纯度，还为其后续的均匀分散奠定了基础。

在电纺丝过程中，我们采用同轴电纺丝技术，将FeCoNi纳米颗粒均匀嵌入到氮掺杂多孔碳纳米纤维中。这种同轴电纺丝方法能够实现对纤维结构的精确控制，从而确保纳米颗粒在纤维中的均匀分布。通过受控碳化过程，我们进一步优化了碳纳米纤维的结构，使其具备多孔性和氮掺杂特性，从而增强其电磁波吸收能力。这一过程不仅提高了材料的比表面积，还引入了更多的异质界面，增强了材料的极化损耗和磁性耦合效应。

在性能测试中，我们发现FeCoNi@NPCNFs在极薄厚度下表现出优异的电磁波吸收性能。最低反射损耗（RLmin）达到-52.36 dB，这表明材料在吸收电磁波方面具有极高的效率。同时，有效吸收带宽（EAB）为5.52 GHz，覆盖了11.70–17.22 GHz的频率范围，这表明材料在宽频段内具有良好的吸收能力。相比之下，单一组分的FeCoNi@CNFs在相同的测试条件下，最低反射损耗仅为-17.08 dB，有效吸收带宽为4.75 GHz，显然不如FeCoNi@NPCNFs的性能。

这种优异的电磁波吸收性能可以归因于多种因素。首先，项链状结构提供了丰富的异质界面，这些界面在电磁波吸收过程中起到了关键作用。其次，氮掺杂多孔碳纳米纤维的多孔结构增强了电磁波的多次反射和散射，从而促进了电磁能量的耗散。此外，FeCoNi纳米颗粒的高磁性加载和均匀分布也对材料的吸收性能产生了积极影响。通过精确调控纳米颗粒的尺寸和空间分布，我们能够实现更强的磁性耦合效应，从而提高材料的磁性响应和磁性各向异性。

本研究提出的这种结构设计策略，不仅能够提高电磁波吸收材料的性能，还为开发高效、超薄的磁性纤维材料提供了新的思路。通过结合水热合成、同轴电纺丝和受控碳化技术，我们能够实现对材料结构和组分的精确调控，从而确保其在电磁波吸收领域的应用效果。这种设计方法不仅适用于FeCoNi纳米颗粒，还可能扩展到其他磁性金属及其合金，为未来的电磁波吸收材料研究提供了广阔的前景。

在实际应用中，这种一维项链状结构的FeCoNi@NPCNFs可以用于各种电磁干扰控制场景，如电子设备的屏蔽、通信设备的信号隔离以及军事装备的电磁兼容性提升。其超薄厚度和宽频段吸收能力，使其在空间受限的应用环境中具有显著优势。此外，由于其优异的磁性性能和结构稳定性，这种材料在长期使用过程中能够保持良好的吸收效果，具有较高的实用价值。

综上所述，本研究通过一种创新的结构设计方法，成功制备出了一维项链状结构的FeCoNi@NPCNFs。这种材料在电磁波吸收方面表现出卓越的性能，其最低反射损耗和有效吸收带宽均优于传统材料。通过精确调控纳米颗粒的尺寸和空间分布，我们实现了材料的均匀分散和增强的磁性耦合效应，从而提高了整体的吸收能力。这种设计策略不仅为开发高效、超薄的磁性纤维材料提供了新的思路，还为未来的电磁波吸收技术研究开辟了新的方向。