综述：由介电损耗驱动的微波吸收材料

《Coordination Chemistry Reviews》：Dielectric loss-driven microwave absorbing materials

本文系统综述了介电损耗驱动的微波吸收材料（MAMs）的最新进展，重点分析界面极化、导电损耗、缺陷偶极极化等机制在材料吸收电磁波中的作用，涵盖3D打印结构、生物质碳材料、碳纤维、纳米材料及导电聚合物等体系，提出机制优化路径并展望未来挑战。

　　
近年来，电磁波污染问题因电子设备普及和无线通信网络扩张而日益严峻。该污染不仅干扰现代电子设备的正常运作，还可能对人类健康造成潜在威胁。在此背景下，开发兼具轻量化、高效率与宽带吸收特性的微波吸收材料（MAMs）成为研究热点。本文系统梳理了介电损耗驱动型MAMs的最新进展，深入剖析了界面极化、导电损耗、偶极极化及缺陷偶极极化等核心机制的作用机理，并总结了不同材料体系的性能特征与优化路径。

**介电损耗的四大核心机制**
微波吸收的本质是将入射电磁波能量转化为热能或其他形式能量。其中介电损耗占据主导地位，其作用机制可细分为四个关键路径：
1. **界面极化**：异质材料界面处因电子跃迁形成的电荷积累与释放过程，产生显著的能量损耗。例如核壳结构中，金属核与介电外壳的界面极化可协同增强微波吸收效率。
2. **导电损耗**：材料内部自由电子的迁移运动产生电阻性损耗，导电性越强的材料（如碳纳米管、石墨烯）通常具有更优的导电损耗特性。但需注意过高的导电性可能阻碍电磁波渗透。
3. **偶极极化**：分子偶极子在交变电磁场作用下的取向滞后导致能量耗散，生物质碳材料因丰富的官能团和缺陷结构而表现突出。
4. **缺陷偶极极化**：材料中的晶格缺陷或化学键不饱和位点会形成局域能量中心，增强偶极响应效率。MXenes这类二维过渡金属碳/氮化合物因其独特的层状结构和表面缺陷，在此机制中表现优异。

**材料体系的创新突破**
当前研究聚焦于五大类先进材料体系：
- **碳基复合材料**：通过3D打印技术构建多级孔道结构（如花生壳衍生碳材料），实现孔隙率>80%与厚度<3mm的协同优化。碳纤维复合材料通过界面工程提升导电网络连续性，其吸波性能在2.4-18GHz频段可达到15dB以上的反射损耗（RL）。
- **纳米结构材料**：碳纳米管通过管壁缺陷调控实现8-12GHz宽频吸收，石墨烯的层数与质量比（厚度/质量）呈负相关，纳米片状石墨烯可达到0.5mg/cm2的超轻量化。金属纳米颗粒（Fe、Co、Ni）的等离子体共振效应在X波段（8-12GHz）表现突出，但当粒径>50nm时需警惕趋肤效应导致的吸收效率衰减。
- **MXenes基材料**：通过氢键层间组装形成三维导电网络，其面密度可达1.5×101?片/m2。改性后的MXene/聚合物复合材料在2-18GHz频段可实现>90%的吸收效率，且厚度可压缩至2mm以内。
- **生物质碳材料**：以农业废弃物为原料，经热解-活化工艺制备的多孔碳具有优异环境效益。例如稻壳碳的介电常数ε_r=4.2时，其阻抗匹配带宽可达5.8GHz（中心频率9.5GHz）。
- **功能化复合材料**：导电聚合物（如聚苯胺）通过共价键与碳材料复合，既保持柔韧性又增强导电网络。核壳结构（如Au@SiO?）通过界面极化与等离子体共振的协同效应，在Ku波段（12-18GHz）实现RL>15dB。

**多机制协同优化策略**
高效MAMs需实现不同损耗机制的协同作用：
- **结构设计层面**：3D打印技术通过拓扑优化构建电磁波传播路径，如螺旋状孔隙结构可使电磁波在材料内部反射8-12次，显著提升能量耗散。
- **界面工程**：在碳纤维表面包覆石墨烯（厚度50nm）可使界面极化损耗提升40%，同时将导电损耗降低15%。
- **缺陷工程**：调控MXene层间间距至1-2nm时，缺陷偶极极化贡献度从30%提升至65%。
- **复合策略**：生物质碳与金属纳米颗粒的复合体系（如稻壳碳/FeNPs）在2.4-5.8GHz频段RL值达-35dB，且厚度仅1.2mm。

**产业化挑战与前沿方向**
尽管实验室成果显著，工程化应用仍面临多重瓶颈：
1. **阻抗匹配难题**：现有材料在2-18GHz宽频带内普遍存在谐振峰缺失问题，需开发梯度阻抗结构材料（如多层核壳复合体系）。
2. **厚度与性能平衡**：厚度<1mm时，材料吸波效率普遍下降30%以上，亟需开发新型轻量化结构（如蜂窝状金属-介电复合材料）。
3. **环境稳定性不足**：导电聚合物在湿热环境下易发生氧化降解，需开发基于MXene的高稳定性涂层（如TiO?包覆层）。
4. **规模化制备瓶颈**：3D打印碳基材料的生产成本高达$50/m2，而生物质碳的年产量仅能满足10%的军工需求，亟待开发连续化生产工艺。

**未来技术路线图**
研究团队提出三阶段发展路径：
- **短期（1-3年）**：优化现有材料体系，重点突破2-12GHz频段全覆盖技术，开发厚度<1mm的柔性吸波贴片。
- **中期（3-5年）**：建立多尺度模拟平台（分子动力学-有限元联合仿真），实现材料性能的精准预测与设计。
- **长期（5-10年）**：发展自修复型智能吸波材料，通过形状记忆聚合物与MXene的复合实现"环境感知-自适应调节"功能。

**典型应用场景分析**
- **军事隐身**：将吸波涂层（厚度0.3mm）与隐身外形结构（如锥形雷达罩）结合，可使S波段（2.4-3.0GHz）雷达反射截面积（RCS）降低60dB以上。
- **电子设备防护**：柔性石墨烯薄膜（厚度50μm）对手机基站信号的屏蔽效能达30dB，且可承受-40℃至150℃极端温度。
- **基础设施抗干扰**：基于MXene的电磁屏蔽层在地铁隧道中的应用，可将杂波干扰降低45%，同时维持结构完整性>10年。

本研究为下一代微波吸收材料的开发提供了理论框架与实践指南，特别在轻量化（<2mm）、宽频带（>5GHz）和低成本（<￥5/m2）材料体系设计方面具有重要指导价值。未来需加强跨学科合作，整合材料科学、电磁学及智能制造技术，推动MAMs从实验室走向大规模工程应用。