聚苯胺包覆碳基镍锌铁氧体复合材料的制备及其高效电磁屏蔽性能研究

针对电磁污染加剧和传统金属屏蔽材料局限性，研究人员开发了聚苯胺(PANI)包覆碳基镍锌铁氧体(C@NZF)复合材料。该材料通过溶胶-凝胶法、水热法和原位聚合三步合成，在X波段实现27 dB吸收主导型电磁屏蔽效能(SE)，信号衰减率达99.8%，平均吸收系数(A)达0.63。其轻量化特性(密度1.1-1.3 g/cm3 )和多重界面极化机制为通信与国防领域EMI屏蔽提供了创新解决方案。

　　

随着5G通信、卫星导航等技术的迅猛发展，电磁污染已成为威胁电子设备安全和人体健康的新型环境问题。传统金属屏蔽材料虽能有效反射电磁波，但其重量大、易腐蚀的特性难以满足现代设备轻量化需求，且反射波可能造成二次污染。这一矛盾促使科学家们将目光转向导电高分子复合材料(CPCs)，其中聚苯胺(PANI)因其可调的导电性(～10 S/cm)和轻质特性(密度1.1-1.3 g/cm³
)备受关注。然而，单纯PANI的电磁波吸收能力有限，如何通过材料复合设计实现"吸收主导型"电磁屏蔽成为研究热点。

针对这一挑战，研究人员创新性地将碳包覆镍锌铁氧体(C@NZF)与PANI复合，开发出具有多重损耗机制的轻量化屏蔽材料。通过溶胶-凝胶法合成Ni_0.5
Zn_0.5
Fe₂
O₄
铁氧体，经葡萄糖碳化形成C@NZF核，再通过原位聚合包裹PANI外壳，最终获得C@NZF与苯胺单体(ANI)质量比为1:9的复合材料。X射线衍射(XRD)证实材料具有标准尖晶石结构(Fd3m空间群)，扫描电镜(SEM)显示PANI形成直径约57 nm的纳米棒缠绕结构。

研究采用矢量网络分析仪测试X波段(8.2-12.4 GHz)电磁参数，发现复合材料通过三重协同机制实现高效屏蔽：PANI的导电损耗、C@NZF的磁损耗以及两者界面产生的极化弛豫。特别值得注意的是，碳中间层不仅降低了界面电阻，还通过电子迁移路径调节复介电常数。这种"三明治"结构使材料在仅含10 wt% C@NZF的情况下，仍能达到27 dB的屏蔽效能(SE)，其中吸收贡献占比超过70%。

该研究发表于《Synthetic Metals》，其重要意义在于：首次报道PANI-C@NZF复合体系的电磁屏蔽性能，为开发"绿色屏蔽"材料提供了新思路；提出的"低填料高吸收"设计策略，突破了传统复合材料依赖高填料含量的局限；材料制备采用的溶液法具有成本优势，适合规模化生产。这些发现为航空航天电子设备、军用隐身技术等领域的电磁防护提供了新材料选择，同时也为多功能复合材料设计提供了理论参考。

主要技术方法包括：1) 溶胶-凝胶法制备镍锌铁氧体(NZF)；2) 水热碳化构建碳包覆层(C@NZF)；3) 原位氧化聚合合成PANI复合材料；4) X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征晶体结构与化学组成；5) 矢量网络分析仪测试电磁参数。

【研究结果】
XRD和FTIR分析：衍射峰与标准卡片(JCPDS No. 52-0278)吻合，C@NZF经煅烧后结晶度提高，PANI特征峰(1580 cm^-1
和1490 cm^-1
)证实成功复合。

电磁性能：在X波段呈现宽频吸收特性，平均吸收系数(A)达0.63，反射系数(R)低于0.37，证实吸收主导机制。

【结论与讨论】
该工作证明PANI-C@NZF复合材料通过独特的"核-壳"结构设计，实现了轻量化与高效电磁屏蔽的统一。材料中PANI提供导电网络，C@NZF贡献磁损耗，碳中间层优化阻抗匹配，这种多尺度协同效应为新型屏蔽材料开发提供了范式。未来研究可进一步探索填料形貌调控、聚合物掺杂改性等方向，以拓展其在柔性电子等新兴领域的应用。