Ba替代的Sr六铁氧体与GO纳米复合材料的微波吸收增强：结构、磁性和电磁性能研究

《Materials Science and Engineering: B》：Enhancement of microwave absorption in Ba-substituted Sr hexaferrites and GO nanocomposite: Structural, magnetic and electromagnetic properties

电磁辐射污染防控与Ba掺杂SrFe12O19/石墨烯氧化物复合材料的微波吸收性能研究，通过溶胶-凝胶自燃烧法制备不同掺杂比例的纳米材料及其复合物，在X至Ku波段（8-18 GHz）实现反射损耗-41.22 dB，有效带宽4.7 GHz，适用于军事隐身与电磁健康防护。

　　随着现代科技的快速发展，电子设备和无线通信技术在日常生活和军事领域中的广泛应用，导致了电磁辐射污染的加剧。这种污染不仅对环境造成影响，还可能对人类健康产生潜在威胁，例如引发癌症、白内障、皮肤灼伤等疾病。尤其是在5G通信网络、高功率设备、雷达系统和无线技术的推动下，电磁污染问题日益严重。因此，开发高效的电磁波吸收材料成为当前研究的重点之一，旨在减少电磁辐射对健康的影响，同时满足军事领域对电磁屏蔽和隐身技术的需求。

在众多电磁波吸收材料中，铁氧体因其优异的磁性和电性能而被广泛研究和应用。然而，传统的铁氧体材料在电磁波吸收方面存在一定的局限性，特别是在工作频率的选择上。Snoek的限制指出，铁氧体的吸收频率通常受到其晶体结构和磁性参数的制约，难以覆盖更广泛的频段范围。为了突破这一限制，研究者们开始关注具有更高磁晶各向异性场的六方铁氧体材料。六方铁氧体能够在GHz范围内表现出显著的铁磁共振特性，使其成为吸收高频率电磁波的理想候选材料。

六方铁氧体根据其结构可以分为M、Y、W、X、Z和U型等不同种类，其中M型六方铁氧体因其结构简单、成本低廉、易于合成以及优异的电磁吸收性能而备受青睐。M型六方铁氧体通常具有化学式MO.6Fe?O?，其中M可以是Ba、Sr或Pb等元素。通过在M型六方铁氧体中引入不同的离子，可以有效调节其电磁参数，从而优化吸收性能。例如，研究发现，Ba和Sr掺杂的六方铁氧体在微波吸收方面表现出更高的效率，这与其独特的磁性和电性能密切相关。

尽管六方铁氧体在电磁波吸收方面具有显著优势，但其较高的密度和重量限制了其在实际应用中的推广。尤其是在需要轻量化和高吸收效率的军事和民用领域，材料的密度和重量成为关键因素。因此，研究者们开始探索将六方铁氧体与其他具有优异电磁性能的材料结合，以开发高性能的电磁波吸收复合材料。碳及其衍生物，如还原氧化石墨烯（rGO）和氧化石墨烯（GO），因其低电阻和高介电损耗而受到关注。这些材料能够通过多种界面极化和导电损耗机制有效抑制电磁波的传播。

在实际研究中，已经有许多关于碳材料与铁氧体复合体系的探索。例如，有研究通过将碳纳米纤维与Fe-Co合金颗粒结合，成功实现了优异的电磁波吸收性能，其最小反射损耗（RL_min）达到?18.66 dB，有效吸收带宽为4.2 GHz。此外，通过构建具有分层结构的弹性气凝胶，将碳纤维与金属有机框架结合，也实现了宽频段的电磁波吸收。这些研究表明，碳材料与铁氧体的结合可以显著提升吸收性能，同时满足对低厚度和高吸收效率的需求。

氧化石墨烯（GO）作为一种具有层状结构、低密度、高比表面积、高介电常数和低磁导率的材料，被广泛用于电磁波吸收领域。GO的引入不仅能够提高材料的介电性能，还能够通过界面极化和导电损耗机制增强电磁波的吸收效果。例如，有研究发现，GO与钴铁氧体的复合材料在X波段范围内表现出最小反射损耗为?56 dB，显示出优异的吸收性能。此外，GO与聚苯胺（PANI）和四氧化三铁（Fe?O?）的复合材料在14 GHz时也实现了?27 dB的反射损耗，进一步证明了GO在电磁波吸收中的潜力。

基于上述研究背景，本文聚焦于Ba掺杂Sr六方铁氧体纳米颗粒（Ba?Sr???Fe??O??，x = 0.0, 0.1, 0.5, 1.0）与GO复合体系的开发。通过调节GO的重量百分比（0, 2.5, 5, 7.5 wt%），研究者们成功优化了该复合材料的微波吸收性能。实验结果表明，Ba掺杂的Sr六方铁氧体纳米颗粒在结构和磁性方面表现出显著的特性变化，例如随着Ba的掺杂，晶粒尺寸逐渐增大，而饱和磁化强度则呈现先增加后减少的趋势。同时，通过FTIR和拉曼光谱分析，研究者们确认了六方铁氧体结构的形成，并观察到金属-氧键长的变化。

在微波吸收性能方面，实验发现，纯SrFe??O??六方铁氧体纳米颗粒在13.4 GHz时表现出?16.1 dB的最小反射损耗，并具有1.28 GHz的有效吸收带宽。而当引入GO后，材料的吸收性能显著提升，例如在3 mm厚度下，GO含量为7.5 wt%的Ba?.?Sr?.?Fe??O??–GO复合材料在9.03 GHz时表现出?41.22 dB的最小反射损耗，并具有高达4.7 GHz的有效吸收带宽。这些结果表明，GO的引入不仅能够增强材料的介电性能，还能够通过多种机制提升其微波吸收效率。

此外，研究者们还探讨了不同Ba掺杂比例对材料性能的影响。随着Ba的掺杂，六方铁氧体的结构和磁性参数发生了显著变化，这些变化进一步影响了其微波吸收性能。例如，Ba的掺杂导致晶粒尺寸的增加，这可能与Ba2?的较大离子半径（1.35 ?）有关，而Sr2?的离子半径（1.18 ?）相对较小。同时，Ba的掺杂还影响了材料的磁化强度和矫顽力，这些参数的变化对微波吸收性能具有重要影响。

在实际应用中，六方铁氧体与GO的复合材料不仅能够用于军事领域的电磁屏蔽和隐身技术，还能够用于民用领域的电磁污染控制。例如，该材料在X和Ku波段范围内（8 GHz - 18 GHz）表现出优异的吸收性能，这使其在雷达通信、短距离探测、卫星通信、广播卫星电视、天气监测和地图绘制等领域具有广泛的应用前景。同时，该材料的低密度和高比表面积使其在实际应用中更加轻便和高效。

为了实现上述目标，本文采用了溶胶-凝胶自燃烧法合成Ba?Sr???Fe??O??六方铁氧体纳米颗粒，并通过调节GO的含量优化其微波吸收性能。该方法具有高纯度、高结晶度和均匀的颗粒尺寸分布的优势，同时能够降低制备成本和时间。实验结果表明，通过引入GO，六方铁氧体的微波吸收性能得到了显著提升，特别是在有效吸收带宽和最小反射损耗方面。

综上所述，本文的研究成果表明，Ba掺杂Sr六方铁氧体与GO的复合体系在微波吸收方面具有显著优势。该材料不仅能够有效抑制电磁波的传播，还能够通过调节GO的含量进一步优化其吸收性能。未来的研究可以进一步探索该复合材料在不同应用场景下的性能表现，并开发更加高效、环保和经济的电磁波吸收材料。