TiN/RGO/PDMS超复合材料在宽温域实现增强微波捕获与损耗能力的研究

《Research》：Enhanced Microwave Trapping and Loss Capabilities of TiN/RGO/PDMS Metacomposites across a Wide Range of Temperatures

本研究针对电磁波吸收材料在宽温域内损耗能力有限、阻抗匹配与温度敏感性相互制约的难题，通过构建具有可控电导率和尺寸的TiN/RGO功能单元，成功制备了TiN/RGO/PDMS超复合材料。该材料展现出优异的微波抗反射特性，促进了阻抗匹配并降低了温度敏感性。更重要的是，材料内部通过电磁波多次反射、散射和重复碰撞，延长了传输路径，引入了额外的损耗机制。最终，在填料含量仅为1.0 wt%的条件下，该材料在298 K至573 K的宽温范围内表现出卓越的电磁波吸收性能（如C2/PDMS达-44.1 dB，S1/PDMS达-48.1 dB），有效吸收带宽几乎覆盖整个X波段。此项研究为设计具有高设计自由度、轻量化且宽温域高效电磁波吸收的超复合材料提供了新思路和有力途径。

　　

随着航空航天飞行器和电子设备的爆炸式发展，随之而来的电磁污染、辐射以及大量的热量排放，严重影响了设备的使用寿命和功能，甚至威胁人类健康。因此，开发在宽温度范围内具有有效且稳定电磁波吸收性能的新型吸收剂具有重要意义。然而，传统的电磁波吸收材料面临一个核心挑战：有限的损耗能力成为实现高效电磁波吸收性能的主要障碍。具体而言，在高温下，材料的导电损耗会因电子热激活迁移而增强，但这往往导致阻抗失配，反而使电磁波在材料表面被反射；而极化损耗则随温度升高而减弱。这种阻抗匹配与损耗能力之间的相互制约关系，以及性能对温度的敏感性，严重限制了传统材料在宽温域，尤其是高温环境下的应用。

为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了超复合材料。不同于传统的均匀混合材料或宏观尺度的超材料，超复合材料巧妙地结合了组成材料的本征电磁参数和人工结构的特性，为实现可调的电磁性能和卓越的设计灵活性提供了可能。其核心思想是将传统的连续导电网络转变为离散分布的功能单元。这种结构有望在实现良好阻抗匹配的同时，引入更强的损耗能力，并降低性能对温度的依赖性。

在这项发表于《Research》杂志的研究中，研究人员致力于解决上述关键问题。他们通过精心设计并制备了电导率和尺寸可控的氮化钛/还原氧化石墨烯功能单元，进而构建了TiN/RGO/PDMS超复合材料。研究的主要目标是阐明功能单元的特性如何影响超复合材料的阻抗匹配、损耗机制，并最终实现其在宽温度范围内的卓越电磁波吸收性能。

研究人员运用了几项关键技术方法来开展本研究。首先，他们采用静电纺丝技术制备了TiO₂纳米纤维。接着，通过静电喷涂技术，将TiO₂纳米纤维与不同质量比的氧化石墨烯分散液混合，形成了具有不同尺度的功能单元前驱体。然后，在氨气气氛下进行高温氮化热解处理，将TiO₂转化为TiN，同时将GO还原为RGO，从而得到最终的功能单元。最后，将这些功能单元以较低的填充含量手动排列并分散在聚二甲基硅氧烷基质中，固化后得到超复合材料。电磁参数的测量在宽温域内进行，并利用计算机仿真技术模拟了电磁场分布以直观展示能量损耗过程。

形貌与组成

研究首先对制备的TiN/RGO功能单元的形貌和组成进行了详细表征。扫描电子显微镜结果显示，TiN纳米纤维和片层状RGO相互交织锁扣，形成了大量的三维网络结构。随着RGO比例的增加，单元内部的片层RGO显著增多，几乎完全包裹了TiN纳米纤维，提高了网络结构的密度。X射线衍射和拉曼光谱分析证实了立方相TiN和四方相ZrO₂的成功形成，以及GO被有效还原为RGO。电导率测试表明，随着RGO比例的提升，功能单元的电导率从C0的1.5 S cm^?1逐渐增加到C3的11.2 S cm^?1，这主要归因于RGO本身的导电性以及其与TiN纳米纤维形成的更丰富、更紧密的三维导电网络。

不同单元电导率对电磁波吸收性能的影响

研究人员系统研究了功能单元电导率对电磁参数和电磁波吸收性能的影响。复合介电常数的实部和虚部均随着RGO含量的增加而增大，这主要源于RGO的高介电常数以及更丰富的三维导电网络增强了导电损耗。对于C2和C3样品，在高频区出现了非典型的共振峰，表明多种极化弛豫机制的激活和增强，包括界面极化和偶极极化。Cole-Cole曲线进一步证实了这一点，C2和C3样品显示出多个扭曲的半圆和线性尾部，表明极化损耗和导电损耗共存。随着温度升高，C2和C3样品的介电常数虚部呈现下降趋势，这是因为热激活缓解了偶极子的取向极化滞后，降低了摩擦阻力，从而减少了极化损耗。虽然高温下导电损耗会因电导率增加而增强，但在离散单元构成的超复合材料中，宏观导电通路被破坏，局部损耗增强，同时多次反射和散射效应变得显著。

阻抗匹配和衰减常数的分析表明，C2/PDMS超复合材料在室温下表现出最佳的阻抗匹配特性，其|Z_in/Z₀|值最接近理想值1，同时具有较高的衰减常数，表明其具有良好的电磁波进入能力和强大的损耗能力。因此，C2/PDMS在2.7 mm厚度下展现了最佳的电磁波吸收性能，反射损耗达到-44.1 dB，有效吸收带宽几乎覆盖整个X波段。而电导率过低或过高的样品，分别由于损耗能力不足或阻抗失配导致表面反射增强，其吸收性能较差。电磁场仿真结果直观地显示了C2单元周围具有更强的电场强度和功率损耗密度，证实了其优异的微波捕获能力。尽管随着温度升高，极化损耗减弱导致C2/PDMS的吸收性能有所下降，但在573 K的高温下仍能保持99%的吸收效率，这得益于其协同的损耗机制。

不同单元尺寸对电磁波吸收性能的影响

接下来，研究探讨了功能单元尺寸对性能的影响。在保持成分不变的情况下，通过改变静电喷涂电压制备了不同尺寸的单元。随着单元尺寸从S0增加到S3，复合材料的介电常数实部和虚部均呈现上升趋势，损耗角正切值也随之增加，表明损耗能力增强。这主要是因为更大的单元尺寸提供了更长的电子传输路径，增强了导电损耗，同时单元间的多次反射、散射和碰撞机会增多，延长了电磁波的传播路径，增强了能量耗散。Cole-Cole曲线显示，小尺寸单元表现出明显的极化损耗特征，而大尺寸单元则显示出更强的导电损耗趋势。

在阻抗匹配方面，S1/PDMS样品在室温下表现出最佳的匹配特性。而当尺寸进一步增大时，由于局部涡流效应增强，导致表面反射增加，阻抗匹配变差。相应地，S1/PDMS在2.8 mm厚度下取得了-48.1 dB的优异反射损耗。有趣的是，对于尺寸较大的S2和S3样品，其电磁波吸收性能表现出正温度依赖性，即随着温度升高，吸收性能反而改善。这是因为温度升高导致单元电导率增加，增强了单元内部的局部损耗和单元间的多次反射/散射效应，从而补偿了极化损耗的下降，并整体提升了损耗能力。电磁场仿真再次证实，S1单元模型内具有最强的电场相互作用和功率损耗密度。

电磁波吸收机制的多尺度视角

文章最后从多尺度视角总结了超复合材料的电磁波吸收机制。在宏观尺度，离散分布的功能单元破坏了宏观导电网络的连续性，赋予了材料优异的抗反射特性和良好的阻抗匹配，使电磁波能够有效进入材料内部。在介观尺度，亚波长尺度的功能单元排列促进了电磁波在单元间的多次反射、散射和重复碰撞，显著延长了电磁波的传输路径，增加了其与功能单元的相互作用机会，从而引入了额外的衰减机制，极大地增强了微波捕获能力。在微观尺度，TiN纳米纤维和RGO片层构建的三维导电网络提供了高效的导电损耗路径，而两者之间丰富的异质界面和官能团则诱导了强烈的界面极化和偶极极化。这些多尺度的损耗机制协同作用，共同确保了材料在宽温度范围内的高效电磁波吸收性能。

结论与讨论

综上所述，本研究成功制备了具有可控电导率和尺寸的TiN/RGO功能单元，并构建了相应的TiN/RGO/PDMS超复合材料。该材料的离散单元结构有效抑制了宏观导电网络的形成，从而实现了优异的阻抗匹配和较低的温度敏感性。更重要的是，亚波长尺度的单元结构创造了卓越的微波捕获特性，通过引入多次反射、散射和重复碰撞等介观尺度损耗机制，显著增强了电磁能量的耗散。结合微观尺度上强大的导电损耗和极化损耗，该超复合材料在填料含量仅为1.0 wt%的极低条件下，于298 K至573 K的宽温范围内展现了卓越的电磁波吸收性能。这项研究不仅深入揭示了超复合材料中多尺度损耗机制与电磁波吸收性能之间的关系，而且为设计面向宽温域应用、轻量化、高性能的电磁波吸收材料提供了新的设计思路和有效的策略，对解决先进装备在复杂热环境下的电磁防护问题具有重要意义。