定向FeCo/BaTiO?微电容器网络结合聚合物涂层，实现宽温度范围内的稳定微波吸收性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Oriented FeCo/BaTiO 3 microcapacitor network in polymer coating for wide-temperature stable microwave absorption

采用高速压缩空气流和基材吸附效应制备了环氧改性硅树脂基FeCo/BaTiO3复合涂层，通过定向排列FeCo片层构建微电容器网络结构，有效提升高频磁导率和磁损耗，同时BaTiO3增强介电损耗和高温抗氧化性，实现宽温范围微波吸收性能（373-573 K带宽5.53-6.22 GHz），厚度仅1.3 mm。

　　在当今科技迅猛发展的背景下，电磁波的广泛应用对材料的性能提出了更高的要求。特别是在军事和民用领域，对电磁波的吸收和屏蔽能力成为关键的技术指标。例如，在军事上，能够有效吸收雷达波的材料可以显著提升武器系统的隐身性能，降低被探测的风险；而在民用领域，这类材料则用于减少电磁污染，保护精密电子设备免受干扰，同时减轻对人类健康的潜在威胁。因此，开发高效、稳定且适用于多种环境条件的微波吸收材料，具有重要的现实意义。

微波吸收材料的核心原理在于其能够将入射的电磁波转化为热能或其他形式的能量，从而实现对电磁波的有效吸收。这类材料的性能通常受到其结构、组成和制备工艺的多重影响。近年来，随着对高性能材料需求的增加，科学家们开始探索磁电复合材料在微波吸收中的应用。这类材料通过磁性和电性组分的协同作用，不仅能够拓宽吸收频段，还能减少涂层厚度，从而在实现高效吸收的同时，降低材料的使用成本和对设备的负担。

然而，磁电复合材料在实际应用中面临诸多挑战。其中，一个显著的问题是其磁导率随温度的升高而急剧下降，这在高温环境下尤为明显。磁导率的降低直接影响了材料的微波吸收性能，尤其是在高温工况下，其吸收能力显著减弱。此外，目前对于这类复合材料在不同温度下的损耗机制研究尚不充分，这使得其在高温条件下的应用存在一定的不确定性。因此，如何在高温条件下保持材料的吸收性能，成为研究的重点。

为了应对上述问题，研究人员提出了一种基于环氧硅树脂的FeCo/BaTiO?复合涂层，其结构设计为定向排列的微电容器网络。这种结构不仅能够优化材料的阻抗匹配，还能增强其在高频范围内的磁导率和磁损耗能力。FeCo合金因其优异的磁性和较高的居里温度（超过950°C），被认为是高温环境下理想的磁性吸收材料。然而，其高导电性可能导致在高频波段中出现阻抗失配，从而降低吸收效率。同时，FeCo合金的磁损耗能力也随着温度的升高而减弱，这在实际应用中限制了其性能的稳定性。

为了解决这些问题，研究者将FeCo合金与低导电性、低密度的陶瓷材料BaTiO?相结合。BaTiO?作为一种典型的铁电陶瓷，具有高介电常数、低电导率以及良好的高温稳定性。这些特性使其成为一种理想的高温吸收材料，同时也能够与FeCo合金形成互补效应。具体而言，BaTiO?的加入不仅能够优化材料的阻抗匹配，还能够提升FeCo合金的高温氧化抗性，从而确保其在高温环境下的长期稳定性。此外，BaTiO?的热膨胀系数与FeCo合金相近，这一特性有助于减少复合材料在温度变化过程中产生的界面热应力，从而提升其抗裂性和抗剥落能力。

在制备过程中，研究人员采用了一种压缩空气喷涂技术，利用高速压缩空气流对材料进行定向排列。该技术通过气流的剪切力和对基底表面的吸附作用，使得FeCo合金薄片在涂层中形成平行排列。这种定向结构显著增强了FeCo合金的磁各向异性，从而提高了其在高频范围内的磁导率和磁损耗能力。同时，平行排列的FeCo合金薄片还能够构建出宏观的微电容器网络结构，其中合金薄片作为电极板，而含有BaTiO?的树脂基体则作为连续的介电层。这种结构设计有效提升了材料的介电损耗能力，从而实现了对电磁波的高效吸收。

为了进一步提升材料的性能，研究人员还对复合材料的组成比例进行了优化。通过调整FeCo合金与BaTiO?的比例，可以实现对材料介电性能和磁性能的协同调控。例如，在FeCo/BaTiO?质量比为1:1的情况下，材料的介电损耗和磁损耗均达到最佳平衡，从而实现了最宽的吸收频段。此外，研究人员还设计了一种三层结构的微波吸收涂层，通过在不同层中引入不同比例的FeCo和BaTiO?，实现了对电磁波的多频段吸收。这种结构设计不仅提升了材料的整体吸收性能，还确保了其在不同温度条件下的稳定性。

在实验测试中，该复合涂层表现出优异的微波吸收性能。当涂层厚度仅为1.3 mm时，其在373 K（100°C）、473 K（200°C）和573 K（300°C）三个温度点下的有效吸收频段分别为5.53 GHz、6.22 GHz和4.24 GHz。这一结果表明，该材料能够在较宽的温度范围内保持稳定的吸收性能，为高温环境下的电磁防护提供了新的解决方案。此外，该材料还展现出良好的热稳定性和抗氧化能力，这使其在极端环境下具有更长的使用寿命和更高的可靠性。

从材料科学的角度来看，这种复合涂层的设计体现了对材料结构和性能的深入理解。通过定向排列的微电容器网络结构，研究人员成功地将磁性和电性效应结合起来，实现了对电磁波的高效吸收。这种结构不仅能够提升材料的吸收能力，还能优化其阻抗匹配，从而减少电磁波的反射和散射。此外，该设计还考虑到了材料的热稳定性，通过选择合适的基体材料和添加适当的陶瓷相，确保了其在高温条件下的性能不受影响。

在实际应用中，这种复合涂层具有广泛的应用前景。例如，在航空航天领域，高温环境下的电子设备需要高效的电磁防护，而这种材料的优异性能使其成为理想的候选材料。在军事领域，该材料可以用于制造高性能的雷达隐身涂层，提高武器系统的生存能力。在民用领域，如工业设备、通信基站和电子仪器等，该材料同样可以发挥重要作用，降低电磁污染对设备和人体的影响。

为了进一步推广该材料的应用，研究人员还对其制备工艺进行了优化。压缩空气喷涂技术作为一种简单、高效的制备方法，不仅能够实现对FeCo合金薄片的定向排列，还能够大规模生产，满足实际需求。此外，环氧硅树脂作为基体材料，不仅具有优异的热稳定性，还具备良好的机械性能和化学稳定性，使其在高温环境下能够保持结构完整性。通过引入环氧基团，研究人员还提升了材料的溶剂抗性和快速固化能力，从而确保了其在实际应用中的可靠性。

综上所述，该研究提出了一种基于环氧硅树脂的FeCo/BaTiO?复合涂层，通过定向排列的微电容器网络结构，实现了对电磁波的高效吸收。该材料在不同温度下的吸收性能均表现出色，尤其在高温环境下，其磁导率和磁损耗能力得到了有效提升。这种材料的开发不仅为高温环境下的电磁防护提供了新的思路，也为未来高性能微波吸收材料的研究奠定了基础。随着对材料性能需求的不断提高，类似的研究将继续推动电磁防护技术的发展，为相关领域提供更加可靠和高效的解决方案。