反应性调控双硅源驱动低钙硅比下C-S-H结晶与性能增强

《Materials Today Communications》：Reactivity-Controlled Dual Silicon Sources Drive C-S-H Crystallization and Property Enhancement at Low Ca/Si Ratios

为解决电磁辐射污染问题，研究人员通过物理研磨法制备了MnFe2O4纳米颗粒/生物质多孔碳复合材料，系统研究了MnFe2O4含量对电磁参数与微波吸收性能的影响。结果表明，当MnFe2O4负载量为20 wt%时，复合材料在2.3 mm厚度下实现最小反射损耗-43.4 dB，有效吸收带宽达6.75 GHz，覆盖整个Ku波段。该研究为开发低成本、宽频带高性能微波吸收材料提供了新策略。

　　

随着无线通信、雷达探测等电子技术的飞速发展，电磁波辐射已逐渐成为一种新型环境污染源，不仅威胁人体健康，还会干扰精密电子设备的正常运行。开发低成本、轻质、薄层、宽频带且强吸收的微波吸收材料成为当前研究热点。传统单一组分吸收剂如铁氧体（磁损耗型）存在吸收频带窄、匹配厚度大或密度高等局限，而碳材料（介电损耗型）虽具有化学/热稳定性好、电导率可调等优点，但缺乏磁损耗导致阻抗匹配不佳。将磁损耗组分与介电损耗组分复合构建复合材料，通过协同效应调控介电常数和磁导率，成为实现高性能微波吸收的有效策略。

在这项发表于《Materials Today Communications》的研究中，研究人员创新性地采用物理研磨法将水热法制备的MnFe₂O₄纳米颗粒与生物质（大麻、棉花、竹材）衍生的多孔碳纤维复合，制备出一系列不同MnFe₂O₄负载量的复合材料，系统探究了其微观结构、电磁参数及微波吸收性能。研究旨在解决单一组分吸收剂性能不足的问题，通过简单的物理混合实现磁-介电协同增效，为高性能微波吸收材料的开发提供新思路。

本研究主要采用水热法合成MnFe₂O₄纳米颗粒，通过高温碳化天然植物纤维（大麻、棉花、竹材）获得生物质多孔碳，并利用物理研磨技术将两者均匀混合制备复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、振动样品磁强计（VSM）等技术表征材料结构与性质，采用矢量网络分析仪（VNA）测量复合材料的电磁参数（复介电常数ε_r与复磁导率μ_r），并基于传输线理论计算反射损耗（RL）。通过雷达截面（RCS）模拟评估材料在实际环境中的雷达波衰减性能。

3.1. 结构与形貌分析

XRD图谱显示复合材料中MnFe₂O₄呈现立方尖晶石结构，生物质碳为无定形结构，物理研磨未产生新相。SEM和TEM表明MnFe₂O₄纳米颗粒均匀附着于碳纤维表面或嵌入孔隙中，形成大量异质界面。XPS证实复合材料主要由C、Fe、Mn、O元素组成，Fe 2p和Mn 2p谱图显示Fe³⁺和Mn²⁺/Mn³⁺价态。VSM测试表明随着MnFe₂O₄含量增加，复合材料饱和磁化强度显著提高。

3.2. 微波吸收性能分析

电磁参数测试显示，随着MnFe₂O₄含量增加，复合材料的复介电常数（ε′和ε″）显著降低，而复磁导率（μ′和μ″）在低频区明显提升。介电损耗主要来源于导电损耗和极化损耗（界面极化、偶极极化），磁损耗源于自然共振和涡流效应。当MnFe₂O₄负载量为20 wt%（MnFe₂O₄/CHF-2）时，复合材料在2.3 mm厚度下实现最小反射损耗-43.4 dB，有效吸收带宽（EAB）达6.75 GHz（12-18 GHz），覆盖整个Ku波段；在3.1 mm厚度下，EAB为4.25 GHz（7.95-12.20 GHz），覆盖整个X波段。衰减系数和阻抗匹配系数分析表明，适量MnFe₂O₄的引入平衡了电磁损耗与阻抗匹配，优化了微波吸收性能。此外，MnFe₂O₄/CCF和MnFe₂O₄/CBF复合材料也表现出优异的吸收性能，证明该方法的普适性。

3.3. 雷达截面模拟

RCS模拟结果显示，MnFe₂O₄/CHF-2复合材料涂层在13.76 GHz频率下表现出最强的雷达波衰减能力，RCS值显著低于纯金属（PEC），证实其在实用化涂层中具有优异的电磁波吸收潜力。

本研究通过简单的物理研磨法成功制备了MnFe₂O₄纳米颗粒/生物质多孔碳复合材料，系统阐明了其电磁波吸收机制：生物质碳构建的三维导电网络促进导电损耗；MnFe₂O₄纳米颗粒引入磁损耗及界面极化；多孔纤维结构诱发多重反射与散射；适量MnFe₂O₄负载优化阻抗匹配，实现磁-介电协同增效。该复合材料在薄层厚度下实现宽频带（覆盖X、Ku波段）、强吸收（RL_min=-43.4 dB）的优异性能，且制备工艺简单、成本低、易规模化，为开发高性能生物质基微波吸收材料提供了新的设计策略和理论依据。