FeCu/MWCNT纳米复合材料具有宽频段的微波吸收特性、大幅降低的雷达截面积以及优异的远场性能

《Advanced Electronic Materials》：FeCu/MWCNT Nanocomposite with a Broad Microwave Absorption Band and Highly Reduced Radar Cross Section and Farfield

电磁污染治理需开发宽频微波衰减材料。本研究通过共沉淀法制备FeCu纳米颗粒，以2:1和3:1质量比修饰MWCNT形成纳米复合材料。FeCu/MWCNT (3:1)在1.8mm厚度时实现-39.82dB最小反射损耗，有效吸收带宽覆盖98.2%的X(8-12GHz)和Ku(12-18GHz)波段。RCS和远场模拟显示，覆盖PEC球体可使RCS降低30-50dB，远场强度减弱20dB。主要机制包括FeCu的磁共振、介电损耗及界面极化协同作用。材料兼具轻质、薄型、易制备等优势，适用于电磁隐身和噪声抑制。

　　随着现代电磁（EM）和信息科学技术的迅猛发展，电磁污染问题日益突出。为了解决这一问题，研究者们致力于开发具有优异微波吸收性能的材料，以实现对电磁波的有效衰减。理想的微波吸收材料（MAMs）应当具备简便的合成方式、轻质、较薄的厚度、高吸收能力以及宽广的有效吸收频段（EAB）。在众多研究中，磁性和介电损耗的协同作用被认为是提升微波吸收性能的关键。

微波吸收材料通常通过两种机制实现电磁波的吸收：磁性损耗和介电损耗。磁性材料如铁（Fe）、镍（Ni）和钴（Co）、铁氧体以及其他磁性复合材料，在2-18 GHz频率范围内能够显著衰减电磁波。这一过程主要通过自然磁共振、交换共振以及涡流效应等机制实现。而碳材料，特别是多壁碳纳米管（MWCNT），因其轻质、高比表面积、可调的电热性能和优良的介电性能，被认为是微波吸收材料的理想选择之一。近年来，许多研究聚焦于通过在MWCNT表面装饰磁性材料，以形成具有宽频微波吸收性能的纳米复合材料，尤其是在X波段和Ku波段。

例如，一种由纳米颗粒（NPs）MWCNTs/CoFe?O?/FeCo三元纳米复合材料构成的复合材料，当其表面覆盖导电性PEDOT-聚苯胺共聚物时，表现出在13.8 GHz频率下最小反射损耗（RL???）达到-90 dB，并具有4 GHz的有效吸收带宽（EAB）。而经过退火处理的CuFe?O?/MWCNT纳米复合材料在10 GHz频率下达到-69 dB的最小反射损耗，并具有10 GHz的有效吸收带宽。另一种APP@MWCNTs/Fe–Ni合金/NiFe?O?纳米复合材料在2 mm厚度下，表现出在12 GHz频率下的最小反射损耗为-85 dB，并覆盖整个X波段。CNT/FeCoNi@C海绵材料的最小反射损耗达到-51.7 dB，有效吸收带宽为6.0 GHz。MWCNT/Ni–Zn–Fe纳米复合材料则在2.6 GHz带宽内表现出-15 dB的反射损耗，并在9.6 GHz频率下达到-22 dB的最小反射损耗。CuS/CoFe?O?/MWCNT纳米复合材料在17.52 GHz频率下达到-58.74 dB的反射损耗，并在1.77 mm厚度下覆盖5.26 GHz的有效吸收带宽。CuCo/NCNT纳米结构表现出-54.13 dB的最小反射损耗，以及4.01 GHz的有效吸收带宽。

这些研究表明，通过在碳纳米管表面装饰磁性纳米颗粒，可以显著提高其微波吸收性能。然而，铁氧化物在微波辐射下可能会因热效应而削弱其磁性，从而降低微波吸收效率。因此，为维持其磁性损耗性能，有必要将铁氧化物与良好的热导体结合，以实现热量的快速释放。铜作为一种理想的热导体，与铁结合后可以形成一种具有多种优势的双金属复合材料。这种材料的合成过程相对简单、成本低且风险较小。

在本研究中，成功合成了铁铜纳米颗粒（FeCu NPs），并通过共沉淀法将其装饰在多壁碳纳米管（MWCNT）表面，形成了两种不同重量比的FeCu/MWCNT纳米复合材料，分别为FeCu/MWCNT（2:1）和FeCu/MWCNT（3:1）。这些材料表现出卓越的微波吸收性能。对于FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料，在2.4 mm厚度下，其最小反射损耗达到-39.82 dB，并具有9.63 GHz的有效吸收带宽。而在1.8 mm厚度下，其有效吸收带宽覆盖了X和Ku波段的98.2%。相比之下，FeCu/MWCNT（2:1）纳米复合材料的最小反射损耗和有效吸收带宽均低于FeCu/MWCNT（3:1），分别达到-22 dB和8.39 GHz，这表明优化磁性和介电成分的比例对提升微波吸收性能具有重要意义。

此外，通过有限元方法（FEM）对雷达散射截面（RCS）和远场散射进行了计算和模拟。结果表明，将典型的完美导体（PEC）球体覆盖以FeCu/MWCNT纳米复合材料后，其RCS和远场散射分别减少了30-50 dB和20 dB，相较于未覆盖的PEC球体。这一结果表明，FeCu/MWCNT纳米复合材料在降低电磁波反射方面具有显著优势。

FeCu/MWCNT纳米复合材料的卓越微波吸收性能源于MWCNT的强介电和导电损耗，以及FeCu的强磁性损耗。MWCNT的介电和导电损耗机制包括界面极化、偶极子极化和导电性，而FeCu则通过自然磁共振、交换磁共振和磁滞效应实现磁性损耗。这两种机制的协同作用不仅增强了材料的吸收能力，还促进了极化松弛和阻抗匹配，使得材料能够更有效地吸收入射的电磁波，而不是将其反射。

在本研究中，通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对FeCu NPs和FeCu/MWCNT纳米复合材料的晶体结构和化学键合进行了表征。XRD图谱显示，FeCu纳米颗粒呈现出体心立方（BCC）结构，而FeCu/MWCNT（2:1）和FeCu/MWCNT（3:1）则显示出面心立方（FCC）结构的铜和FeCu相的特征峰。FTIR光谱揭示了FeCu纳米颗粒与MWCNT之间存在明显的化学相互作用，如Fe-O和Cu-O的伸缩振动，这些特征峰的出现表明纳米颗粒成功地装饰在碳纳米管表面。

利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）对FeCu纳米颗粒和FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料的形貌和微观结构进行了研究。SEM图像显示，FeCu纳米颗粒以聚集体形式存在，而TEM图像则进一步揭示了FeCu纳米颗粒在MWCNT表面的分布情况。通过能谱分析（EDS）和元素映射分析，确认了FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料的组成元素分布情况，证明了其结构的均匀性和稳定性。

磁性测试表明，FeCu/MWCNT（2:1）和FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料的饱和磁化强度（M?）分别为38.43和21.3 emu/g，均低于FeCu纳米颗粒的59.92 emu/g。这主要是由于非磁性的碳纳米管的引入，降低了整体的磁性表现。然而，两者的矫顽力（H?）均约为100 Oe，比FeCu纳米颗粒的55.5 Oe更高。这表明纳米颗粒的磁性在与碳纳米管结合后，虽然磁化强度有所下降，但其磁滞效应增强，从而促进了磁性损耗。在电磁波作用下，FeCu/MWCNT纳米复合材料能够产生与外部磁场相反的磁感应，从而将电磁能量转化为热能。

为了评估材料的微波吸收性能，还测量了其介电和磁性损耗的损耗角正切（tan δ）。结果显示，两种纳米复合材料的介电和磁性损耗角正切均显著高于FeCu纳米颗粒。这表明，介电和磁性损耗在FeCu/MWCNT纳米复合材料中发挥了主导作用。其中，FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料在较高频率下表现出更高的磁性损耗角正切，而FeCu/MWCNT（2:1）在较低频率下则表现出更高的介电损耗角正切。这种差异可能源于材料中磁性和介电成分的相对比例，以及界面极化效应的增强。

反射损耗（RL）的测量结果显示，FeCu纳米颗粒在10.04 GHz频率下表现出-15.43 dB的最小反射损耗，其有效吸收带宽仅为0.42 GHz，表明其吸收性能相对较弱。相比之下，FeCu/MWCNT（2:1）纳米复合材料在8.39 GHz频率下达到-22.73 dB的最小反射损耗，并且在1.6 mm厚度下，其有效吸收带宽覆盖了8.79-18 GHz，达到了9.212 GHz。FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料在9.67 GHz频率下表现出最佳的吸收性能，其最小反射损耗达到-39.82 dB，并且在1.8 mm厚度下，其有效吸收带宽覆盖了X和Ku波段的98.2%。这些结果表明，通过调整FeCu纳米颗粒与MWCNT的重量比，可以显著优化材料的微波吸收性能。

为了进一步比较FeCu/MWCNT纳米复合材料与其他类似材料的微波吸收性能，制备了一张对比表格（Table 1）。该表格展示了多种材料在不同厚度下的最小反射损耗（RL???）、吸收频率（f）、有效吸收带宽（EAB）以及相关文献。结果显示，FeCu/MWCNT（3:1）纳米复合材料在多个指标上均优于其他材料，特别是在最小反射损耗和有效吸收带宽方面。例如，FeCu/MWCNT（3:1）在2.4 mm厚度下，其最小反射损耗达到-39.82 dB，而其他类似材料如Co?.?Zn?.?Fe?O?/MWCNT在2 mm厚度下，其最小反射损耗为-38.23 dB，有效吸收带宽约为4.5 GHz。相比之下，FeCu/MWCNT（3:1）在有效吸收带宽方面表现更为优异。

此外，通过有限元方法（FEM）对雷达散射截面（RCS）和远场散射进行了模拟。模拟结果显示，将FeCu/MWCNT纳米复合材料覆盖在典型的完美导体（PEC）球体上，能够显著降低其雷达散射截面和远场散射。具体而言，RCS和远场散射分别减少了30-50 dB和20 dB，相较于未覆盖的PEC球体。这一结果进一步验证了FeCu/MWCNT纳米复合材料在电磁波吸收方面的优异性能。

综上所述，FeCu/MWCNT纳米复合材料在微波吸收性能方面表现出色，其性能的提升主要得益于磁性和介电损耗的协同作用，以及良好的阻抗匹配。通过调整纳米颗粒与碳纳米管的比例，可以进一步优化材料的吸收性能，使其在更宽的频率范围内表现出卓越的吸收能力。此外，该材料还具有轻质、低厚度和简便合成等优点，为实际应用提供了良好的前景。