受蜂窝结构启发：BC@Fe3O4@PANI复合材料具有出色的电磁波吸收和电磁干扰屏蔽性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Inspired by honeycomb structure: BC@Fe 3O 4@PANI composite with outstanding electromagnetic waves absorption and electromagnetic interference shielding properties

竹炭/三氧化二铁/聚苯胺复合材料通过共沉淀和原位聚合制备，电磁波反射损耗达-56.2dB（4.5mm厚度），电磁屏蔽效率40.85dB，有效吸收带宽4.2GHz，兼具轻质、低成本和易加工特性，适用于无线通信、雷达隐身等领域。

　　随着无线通信和电子设备的广泛应用，电磁干扰（EMI）问题日益突出。为了解决这一问题，开发高效的电磁波吸收和EMI屏蔽材料成为关键。传统的金属基屏蔽材料虽然具有良好的屏蔽效果，但由于其密度高、易腐蚀等缺点，限制了其在更多领域的应用。因此，探索轻质、高效的电磁功能材料成为当前研究的热点。竹炭（BC）因其天然的多孔结构、优异的导电性、低成本以及可再生性，被认为是理想的电磁功能材料之一。然而，竹炭的电磁性能仍有待进一步提升。为了改善竹炭在电磁波吸收和EMI屏蔽方面的表现，研究者开发了一种新型的三元复合材料——竹炭@三氧化二铁@聚苯胺（BC@Fe?O?@PANI）。这种复合材料不仅在电磁波吸收和屏蔽方面表现出色，还具有低密度、低成本和易于加工等优势，使其在现代无线通信、雷达隐身和电子设备的电磁兼容设计中展现出广阔的应用前景。

当650BC@Fe?O?@PANI复合材料的厚度为4.5毫米时，其最佳反射损耗（RL）达到-56.2分贝，有效吸收带宽（EAB）为4.2吉赫兹。而1050BC@Fe?O?@PANI复合材料的EMI屏蔽效率为40.85分贝，其吸收效率（A）为0.72，相较于纯竹炭材料有显著提升。这些数据表明，通过合理的材料设计和结构优化，BC@Fe?O?@PANI复合材料在电磁性能方面具有很大的潜力。

在研究中，竹炭、三氧化二铁和聚苯胺三者被有效地结合，形成了具有显著协同效应的多功能复合材料。竹炭的多孔结构和高比表面积有助于电磁波的多次反射和吸收，从而提高整体的电磁波衰减能力。三氧化二铁则因其优异的磁损耗特性，能够有效吸收电磁波的能量，而聚苯胺则通过增强介电损耗和改善阻抗匹配，进一步提升材料的电磁波吸收性能。这种三元复合材料的设计不仅提高了电磁波吸收效率，还有效降低了反射和透射损耗，为实际应用提供了更好的性能保障。

本研究中，所使用的竹炭来自西安理工大学，实验所需的化学品如氨、氯化亚铁四水合物、氯化铁六水合物、苯胺等均来自不同的供应商。实验过程中，首先对竹炭进行高温裂解，以形成具有多孔结构的竹炭材料。随后，通过共沉淀法合成三氧化二铁纳米颗粒，并将其与竹炭结合。最后，通过原位聚合技术在复合材料表面沉积聚苯胺，以增强其导电性和介电性能。整个合成过程通过精确的化学反应和物理处理步骤，确保了复合材料的结构稳定性和性能一致性。

在性能和机制方面，研究通过系统的表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外光谱（FTIR）等，对BC@Fe?O?@PANI复合材料的微观结构和化学组成进行了深入分析。研究发现，竹炭的多孔结构和高比表面积为电磁波的多次反射和吸收提供了良好的条件，而三氧化二铁的磁损耗特性则有效提升了材料的吸收效率。聚苯胺则通过其高导电性和良好的阻抗匹配能力，进一步增强了材料的整体电磁波吸收性能。这种协同作用使得BC@Fe?O?@PANI复合材料在电磁波吸收和EMI屏蔽方面表现出优异的性能。

此外，研究还探讨了复合材料在不同厚度下的电磁性能变化。实验结果表明，随着复合材料厚度的增加，其反射损耗和吸收效率均有所提升，但吸收带宽的变化趋势则较为复杂。研究者通过调整材料的配比和结构设计，优化了复合材料在不同厚度下的性能表现，使其在实际应用中能够适应多种需求。例如，在4.5毫米厚度下，650BC@Fe?O?@PANI复合材料表现出最佳的反射损耗和有效吸收带宽，而在3.5毫米厚度下，1050BC@Fe?O?@PANI复合材料则展现出较高的EMI屏蔽效率。这些结果表明，通过合理的厚度设计和材料配比优化，可以进一步提升复合材料的电磁性能。

本研究的结论表明，通过共沉淀和原位聚合方法合成的650BC@Fe?O?@PANI和1050BC@Fe?O?@PANI复合材料在电磁波吸收和EMI屏蔽方面表现出色。研究发现，这些复合材料不仅具有良好的阻抗匹配能力，还能有效吸收和衰减电磁波，从而减少反射和透射损耗。此外，研究还发现，这些复合材料的轻质特性使其在实际应用中具有更高的可行性，尤其是在需要高屏蔽效率但又对重量有严格限制的领域。

为了进一步验证这些复合材料的性能，研究者还进行了多种实验测试，包括电磁波吸收测试、EMI屏蔽测试以及机械性能测试等。测试结果表明，这些复合材料在电磁波吸收和屏蔽方面表现出良好的性能，同时保持了较低的密度和较高的机械强度。这使得它们在实际应用中不仅能够满足性能需求，还能够适应不同的加工和使用条件。

此外，研究还探讨了复合材料在不同频率范围内的电磁性能表现。实验结果表明，这些复合材料在宽频范围内均表现出良好的吸收和屏蔽效果，尤其在高频段具有更高的吸收效率。这表明，通过合理的材料设计和结构优化，BC@Fe?O?@PANI复合材料能够在不同应用场景中发挥重要作用。

在实际应用方面，BC@Fe?O?@PANI复合材料展现出广泛的应用前景。由于其轻质、低成本和易于加工的特性，该材料可以被应用于现代无线通信设备、雷达隐身技术以及电子设备的电磁兼容设计等领域。这些应用不仅能够有效减少电磁干扰，还能提高设备的运行效率和安全性。此外，该材料的环保特性也使其在可持续发展的背景下具有更高的吸引力。

本研究的成果不仅为开发高性能的电磁功能材料提供了新的思路，也为解决电磁干扰问题提供了有效的解决方案。通过合理的材料设计和结构优化，研究者成功地提升了竹炭在电磁波吸收和EMI屏蔽方面的性能，使其能够满足实际应用的需求。同时，研究还为未来的材料研究和应用提供了重要的参考价值，为相关领域的进一步发展奠定了基础。

综上所述，BC@Fe?O?@PANI复合材料在电磁波吸收和EMI屏蔽方面表现出色，其优异的性能得益于竹炭的多孔结构、三氧化二铁的磁损耗特性和聚苯胺的导电性及阻抗匹配能力。这种三元复合材料的设计不仅提高了电磁波吸收效率，还有效降低了反射和透射损耗，使其在现代无线通信、雷达隐身和电子设备的电磁兼容设计中具有广阔的应用前景。研究者通过系统的实验和表征手段，验证了该材料的性能优势，并为未来的材料研究和应用提供了重要的参考价值。