钼氮共掺杂空心碳球的介电损耗耦合效应及其增强微波吸收性能研究

【编辑推荐】针对碳基材料因单一损耗机制和阻抗失配导致的微波吸收性能不足问题，研究人员通过结构设计与钼/氮共掺杂策略构建了空心碳微球（NHCS@Mo）。该材料在5 wt%低填充量下实现4.64 GHz有效吸收带宽（EAB），密度仅0.0565 g/cm3，CST仿真验证其电磁波耗散应用潜力，为轻量化吸波材料开发提供新思路。

　　

随着人工智能和物联网技术的普及，电子设备产生的电磁辐射已成为威胁设备稳定运行和人体健康的重要问题。传统碳基吸波材料因介电损耗弱、阻抗匹配差等缺陷难以满足"薄、轻、宽、强"的应用需求。如何通过材料设计协同优化介电损耗与轻量化特性，成为当前微波吸收领域的关键挑战。

中原工学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，提出通过钼/氮共掺杂策略调控空心碳球（HCS）的介电性能。该研究以SiO₂为模板，通过原位水解-聚合-高温碳化工艺制备了NHCS@Mo复合材料，系统探究了热解温度对材料结构及吸波性能的影响。研究发现，800℃热解产物NHCS@Mo-800在1.62 mm厚度下实现4.64 GHz的有效吸收带宽，材料密度仅为0.0565 g/cm³，雷达散射截面（RCS）最大降低值达24.41 dBm。

研究采用三大关键技术：1）SiO₂模板法制备核壳结构SiO₂@SiO₂/RF前驱体；2）高温碳化同步实现Mo-N配位掺杂与空心结构形成；3）通过矢量网络分析仪测试材料在2-18 GHz频段的电磁参数。

【结果与讨论】

1. 材料设计与表征：Mo掺杂引起晶格畸变和电子云不对称，产生大量缺陷位点，促进偶极极化（dipole polarization）和界面极化（interface polarization）。TEM显示材料具有典型空心结构，BET测试证实其比表面积达487 m²/g。

2. 电磁性能调控：热解温度通过影响石墨化程度调控导电损耗，800℃样品实现导电损耗与极化损耗的最佳平衡。Mo-N_x位点的引入使介电常数实部（ε'）从3.2提升至5.8，虚部（ε"）从0.5增至2.3。

3. 吸波机制分析：空心结构通过多重反射延长电磁波传播路径，Mo掺杂产生的缺陷极化与界面极化协同增强介电损耗。阻抗匹配特性（|Z_in/Z₀|≈1）与衰减常数（α>200）的优化是获得宽频吸收的关键。

【结论】该研究通过元素掺杂与结构设计协同策略，成功实现了碳基吸波材料轻量化（0.0565 g/cm³）与高效吸收（EAB 4.64 GHz）的统一。Mo-N共掺杂诱导的晶格畸变和缺陷工程为调控介电损耗提供了新思路，CST仿真验证了材料在实际电磁防护中的应用价值。研究成果对开发新一代轻质宽频吸波材料具有重要指导意义。