通过磁场构建的梯度阻抗网络实现柔性薄膜中的双频段微波和太赫兹波吸收

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Dual-Band Microwave and Terahertz Wave Absorption in Flexible Films Enabled by Magnetic-Field-Constructed Gradient Impedance Networks

提出磁场辅助制备策略，通过控制球磨与磁场定向排列，使片状羰基铁颗粒（FCIPs）在聚合物基体中形成链状梯度阻抗结构，实现1.8mm厚度下11-18GHz微波带（RLmin-22.5dB）与0.5-1.0THz带（吸收率>56%）双频段协同吸收，其机制涵盖磁场诱导各向异性、多物理场耦合损耗及界面极化效应。

　　随着5G和6G无线通信技术的迅猛发展，以及可穿戴电子设备的广泛应用，对能够实现宽频、多频段工作的柔性电磁吸收材料（FEMAs）的需求日益迫切。这些材料不仅要具备良好的电磁波吸收性能，还需要在物理特性和环境适应性方面满足新型电子设备的要求。然而，传统电磁吸收材料（EMAs）在应用过程中面临诸多限制，如较高的刚性、较窄的有效吸收带宽（EAB，反射损耗RL ≤ –10 dB）以及较差的阻抗匹配等，这些因素严重制约了其在柔性电子设备中的使用。为了解决这些问题，本文提出了一种磁辅助制造策略，通过控制球磨和磁引导对齐技术，将片状羰基铁颗粒（FCIPs）在聚合物基体中组织成有序的链状结构，从而有效抑制高填料负载下的颗粒聚集现象。这种高度有序的微观结构建立了一个梯度的阻抗分布，使得波阻抗能够实现平滑过渡，从而显著拓宽吸收带宽。

在优化后的薄膜中，其表现出卓越的双频段性能：在1.8 mm的薄厚度下，最小反射损耗（RLmin）达到–22.5 dB，有效吸收带宽（EAB）为7 GHz（11–18 GHz），相比未对齐的对照样品，吸收带宽提升了3.4 GHz。同时，该薄膜在0.5–1.0 THz范围内保持超过56%的吸收率。这种出色的性能源于磁辅助诱导的各向异性，这种各向异性协同增强了自然共振损耗、界面极化和多重反射散射等机制。这些机制共同构成了一个协同的多耗散系统，使得材料能够实现超宽频的电磁波吸收。

近年来，柔性电磁吸收材料的研究取得了显著进展，尤其是在多组分复合材料和复杂结构设计方面。研究者们通过引入不同类型的磁性和非磁性材料，设计出具有优异性能的吸收结构。例如，有研究者开发了一种基于水性聚氨酯（WPU）的柔性电磁干扰（EMI）屏蔽复合材料，结合了介电碳纳米管（CNTs）和形态调控的磁性镍（Ni）结构，实现了高达42.8 dB的EMI屏蔽效率。另一项研究则通过精确调节氧化钴铁（CoFe?O?）与还原氧化石墨烯（RGO）的比例，实现了对有效磁导率和介电率的精准调控，从而获得了–38 dB的最小反射损耗和6.4 GHz的有效吸收带宽。还有研究者利用MXene的高导电性和丰富的表面功能基团，结合RGO插层界面和磁性CoNi合金改性，制备出高性能的柔性MXene基吸收薄膜，其在2.01 mm厚度下实现了–54.1 dB的最小反射损耗和5.1 GHz的有效吸收带宽。

此外，一些研究通过构建不对称的梯度多层结构，如由纤维素纳米纤维（CNF）、MXene和铁钴修饰的还原氧化石墨烯（FeCo@rGO）组成的复合材料，实现了优异的波吸收性能。这种结构设计通过合理的阻抗梯度调节，显著提高了电磁波的吸收效率。尽管这些研究取得了重要进展，但在高填料负载下，磁性颗粒容易发生聚集，导致材料的均匀性下降，界面缺陷密度增加，阻抗匹配恶化，从而严重影响了整体的吸收性能。因此，如何在高填料负载下实现磁性颗粒的均匀分散，成为柔性电磁吸收材料研究中的关键挑战。

为了应对这一挑战，本文提出了一种磁辅助对齐技术，结合球磨过程对磁性填料进行形态调控，使其在聚合物基体中形成有序的链状结构。这种结构不仅能够有效防止颗粒聚集，还能够显著提高材料的阻抗匹配性能。通过这种方法，材料能够在宽频范围内实现高效的电磁波吸收，满足从微波到太赫兹波段的吸收需求。此外，磁辅助技术还可以引入磁致伸缩效应，使得材料的宏观和微观结构能够进行动态调整，从而实现对吸收带宽的灵活调控。这种创新的制造策略为开发高性能的柔性电磁吸收材料提供了新的思路和方法。

在材料选择方面，本文使用了高纯度的羰基铁颗粒（CIPs，EW级），其粒径分布控制良好（D?? < 7 μm），并且具有较高的铁含量（≥ 97% Fe）。此外，还使用了无水乙醇作为分散介质，以及一种双组分硅橡胶（型号：E605）作为聚合物基体，这种基体能够在常温下固化，并形成具有可调特性的柔性电磁吸收材料。通过这种材料体系，研究人员能够有效地调控磁性填料的分布和排列方式，从而实现对材料性能的精准控制。

在微观结构表征方面，本文采用了拉曼光谱技术，对柔性微波吸收材料的分子振动行为和界面相互作用进行了系统研究。随着磁性填料含量从20%增加到60%，拉曼光谱显示在低频区域（10–1000 cm?1）出现了多个宽泛的振动峰，这些峰分别位于120–210 cm?1（155和190 cm?1）、480–520 cm?1（493 cm?1）以及690–720 cm?1（707 cm?1）范围内。这些振动峰被归因于填料与基体界面处的受限振动模式、弯曲振动以及其他界面相互作用。这些表征结果不仅揭示了材料内部的微观结构变化，还为理解其电磁吸收机制提供了重要的实验依据。

在实验结果分析方面，本文展示了所制备的柔性薄膜在微波和太赫兹波段的优异吸收性能。在1.8 mm的薄厚度下，该薄膜在11–18 GHz范围内实现了7 GHz的有效吸收带宽，同时在0.5–1.0 THz范围内保持了超过56%的吸收率。这种双频段吸收性能的实现，得益于磁辅助对齐技术所形成的有序链状结构，以及由此产生的梯度阻抗特性。这种特性使得材料能够在不同频率范围内实现良好的波阻抗匹配，从而显著降低表面反射，提高电磁波的吸收效率。此外，通过磁致伸缩效应，材料的宏观和微观结构能够进行动态调整，从而实现对吸收带宽的灵活调控。

在总结部分，本文指出，为了满足下一代可穿戴电子设备和5G、6G无线通信技术对宽频兼容性电磁吸收材料的需求，本研究采用了一种控制球磨和磁辅助对齐相结合的制造策略，成功制备出具有优异性能的柔性吸收薄膜。该策略不仅有效解决了磁性颗粒在高填料负载下的聚集问题，还显著提高了材料的阻抗匹配性能，使得其在宽频范围内实现了高效的电磁波吸收。这种创新的制造方法为未来开发高性能的柔性电磁吸收材料提供了重要的理论支持和实验依据。

此外，本文还强调了多材料混合和精细界面设计在电磁吸收材料研究中的重要性。通过合理选择和组合不同的磁性和非磁性材料，研究人员能够实现对电磁性能的精准调控，优化阻抗匹配，并显著提高整体吸收效率。这些研究结果表明，材料的微观结构设计和界面调控是实现高性能电磁吸收材料的关键因素。因此，未来的研究应进一步探索多材料混合体系和精细界面设计方法，以开发出更高效、更灵活的电磁吸收材料。

在数据共享方面，本文提到相关数据将在合理请求下提供，以促进学术交流和研究验证。同时，本文作者声明不存在任何可能影响研究结果的财务利益或个人关系，确保了研究的客观性和公正性。最后，本文对支持本研究的基金项目表示感谢，包括重庆市教育委员会的科技研究项目（项目编号：KJQN202401519），以及重庆理工大学的科研基金项目（项目编号：ckrc20220093和ckrc202212035），还有重庆市海外归国人员创业创新支持计划（项目编号：cx2022079）。这些支持为本研究的顺利开展提供了必要的资源和条件。

综上所述，本文提出了一种创新的磁辅助制造策略，通过控制球磨和磁引导对齐技术，成功制备出具有优异双频段吸收性能的柔性电磁吸收材料。这种材料不仅在微波波段表现出良好的吸收性能，还在太赫兹波段实现了显著的吸收效率。通过这种策略，研究人员能够有效调控磁性填料的分布和排列方式，从而实现对材料性能的精准控制。这些研究成果为未来开发高性能、宽频兼容的柔性电磁吸收材料提供了重要的理论支持和实验依据，同时也为可穿戴电子设备和5G、6G无线通信技术的发展提供了新的解决方案。