FeNi合金/PLA复合材料的熔融沉积法制备：粒径与含量对微波吸收及力学性能的调控机制

为解决电磁污染与材料性能协同优化难题，研究人员通过熔融沉积成型(FDM)技术制备不同粒径(FeNiS/FeNiB)和含量(20%-60%)的FeNi合金/PLA复合材料，发现FeNiB/PLA-60%可实现-68.42 dB的最小反射损耗(RLmin)和4.56 GHz的有效吸收带宽(EAB)，而FeNiS/PLA-40%在打印适性、力学与微波吸收(MA)性能间取得最佳平衡，为轻量化MA-承载一体化材料设计提供新思路。

　　

随着5G通信和电子设备的爆发式增长，电磁波在带来便利的同时，其污染问题日益凸显——不仅干扰精密仪器运行，更可能危害人体健康，甚至威胁国防信息安全。传统微波吸收材料(Microwave Absorbing Materials, MAMs)如铁氧体涂层存在工艺复杂、环境兼容性差等缺陷。而3D打印技术中的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)以其低成本、高设计自由度等优势，为MAMs开发开辟了新路径。聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)因其生物可降解性和适宜介电特性，成为理想基材；FeNi合金则凭借高饱和磁化强度成为磁损耗型吸收剂的明星材料。然而，如何平衡材料的微波吸收(Microwave Absorption, MA)性能与机械强度，以及粒径效应的影响机制，仍是悬而未决的科学问题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果。他们采用双螺杆熔融挤出法制备了两种粒径(平均3.85 μm的FeNi_S和9.86 μm的FeNi_B)的FeNi/PLA复合线材，设置20%、40%、60%三种合金负载量，通过FDM打印同轴环和拉伸试样。研究结合扫描电镜(SEM)、矢量网络分析仪等技术，系统揭示了粒径与含量对材料微观结构-性能关系的调控规律。

关键技术方法

1. 通过双螺杆熔融挤出实现FeNi合金与PLA的均匀复合
2. 采用FDM技术打印标准测试样件
3. SEM观察微观形貌与粒子分散性
4. 矢量网络分析仪测试2-18 GHz频段的电磁参数
5. 万能试验机评估拉伸性能

研究结果

微观结构特征
SEM显示小粒径FeNi_S分散性更优，40%含量时形成连续导电网络；而60%含量下大粒径FeNi_B出现局部团聚，但构建了更密集的磁损耗单元。

微波吸收性能
FeNi_B/PLA-60%展现出最优MA性能：在17.84 GHz处RL_min达-68.42 dB，EAB为4.56 GHz。这归因于大粒径粒子增强的磁滞损耗与涡流效应，以及高含量带来的阻抗匹配优化。

力学性能
小粒径样品表现出更好的延展性，FeNi_S/PLA-40%的断裂伸长率比同含量大粒径组高15%。但所有样品拉伸强度随合金含量增加呈下降趋势，PLA基体的连续性破坏是主因。

性能平衡点
FeNi_S/PLA-40%成为最佳折衷方案：RL_min达-42.3 dB，EAB为3.2 GHz，同时保持28.7 MPa的拉伸强度和5.8%的断裂伸长率，满足工程应用对综合性能的需求。

结论与意义
该研究首次阐明了FeNi合金粒径与含量通过"磁损耗网络构建-基体连续性调控"双路径影响PLA复合材料性能的机制。大粒径(FeNi_B)在高含量(60%)时通过增强磁损耗实现卓越MA性能，而小粒径(FeNi_S)在中等含量(40%)下通过优化分散性达成力学-功能平衡。这一发现不仅为FDM制备MA-承载一体化材料提供了明确的设计准则，更开创性地将粒径工程引入聚合物基软磁复合材料研究领域。特别值得注意的是，研究提出的"40%临界含量"概念，对ABS、PEEK等其他热塑性基复合材料的开发具有普适指导价值。该成果在航空航天隐身结构、电子设备电磁屏蔽等领域具有广阔应用前景。