石墨烯-FeCoNi@碳核壳复合材料的制备及其微波吸收性能的提升：通过协同的多损耗机制实现超薄宽频吸收

《Journal of Alloys and Compounds》：Construction of Graphene-FeCoNi@Carbon Core-Shell Composites and Enhanced Microwave Absorption: Ultrathin Broadband Absorption via Synergistic Multi-Loss Mechanisms

FeCoNi@Carbon复合材料通过"凝胶法-煅烧-碳化封装"三步法制备，形成磁芯-碳壳结构，协同磁损耗、介电损耗及界面极化损耗实现宽频微波吸收，1.59mm厚度下7wt%石墨烯样品在13.2-18GHz频段反射损耗达-76.29dB，CST仿真显示10.5GHz处RCS降低34.04dB·m2。

　　本项研究聚焦于开发一种高性能的微波吸收材料，其核心在于通过创新工艺制备具有“超薄厚度、宽频带和可3D打印”特性的磁-碳复合材料。研究人员采用了一种三步“凝胶法-煅烧-碳化包覆”工艺来合成FeCoNi@碳（FCN@C）复合材料。这一过程不仅提升了材料的电磁性能，还为实现高效、轻质、薄层的微波吸收器提供了科学依据。

在碳化包覆阶段，FeCoNi合金相从氧化相中原位析出，同时环氧树脂在合金表面形成具有缺陷的碳壳。这种碳壳与FeCoNi核心之间的强界面耦合，增强了材料的界面极化和导电损耗能力。通过3D打印技术，研究人员迅速制备了共轴环形样品，这些样品在电磁测试中表现出优异的吸收性能。具体而言，含有7 wt%石墨烯（GR）的样品在20 wt% FCN@C的情况下，反射损耗（RL）最低达到-76.29 dB；而含有6 wt% GR的样品则在极薄的1.59 mm厚度下表现出强烈的吸收能力（-52.37 dB），其有效吸收频段覆盖13.2-18 GHz，宽度达4.8 GHz。这些结果表明，该材料在宽频段和低厚度下具有出色的微波吸收性能，展现出良好的应用潜力。

为了进一步验证材料的电磁衰减能力，研究人员使用CST电磁仿真软件进行了雷达散射截面（RCS）模拟。结果表明，在10.5 GHz频率下，材料的最大RCS减少达到了34.04 dB·m2，这充分说明了该材料在雷达隐身方面的潜力。此外，该研究提出的一种“原位还原-碳化包覆”策略，为制备轻质、高性能的微波吸收材料提供了一种科学、实用的解决方案。

随着通信技术的快速发展，电子集成设备的不断涌现，极大地改善了人类的生活方式，同时也引发了日益严重的电磁污染问题。在空间环境中，电磁波的高密度分布不仅严重影响无线通信的可靠性，还引入了安全漏洞，破坏了精密电子设备的正常运行。因此，有效的电磁波吸收成为解决电磁污染问题的关键手段。微波吸收材料（MAMs）通过将入射的电磁能量转化为热能或其他形式的耗散机制，实现对电磁波的有效衰减。近年来，开发具有宽频带、轻量化设计、薄层结构和强吸收能力的高性能MAMs已成为一个至关重要的研究方向。

与单一磁性金属（如Fe、Co、Ni）和二元合金（如FeCo、FeNi）相比，FeCoNi三元合金在GHz频段表现出更高的饱和磁化、磁导率和Snoek极限。然而，过渡金属颗粒（如Fe、Co、Ni）存在固有的缺陷，包括过高的密度、较差的分散稳定性以及对氧化降解的易感性，这些因素显著限制了其在实际应用中的可行性。为此，研究人员提出了将磁性金属与其他材料结合的策略，以克服这些局限。其中，碳材料因其低密度、可调的介电性能和稳定的化学特性，受到了广泛关注。在磁性金属与碳材料的复合体系中，碳材料不仅能够提升金属颗粒的分散性和抗腐蚀性，还通过两者的界面相互作用，诱导“磁损耗-介电损耗-界面极化损耗”的协同耦合，从而增强材料的整体电磁吸收性能。

在众多磁性金属-碳复合体系中，FeCoNi三元合金已成为近年来的研究热点。通过整合三种金属（Fe、Co、Ni）的磁性优势，FeCoNi三元合金表现出比单一金属或二元合金更平衡的饱和磁化和磁导率。例如，Yang等人采用溶剂热-碳化法成功制备了FeCoNi合金/竹纤维衍生碳（BFC）复合材料。分析表明，FeCoNi纳米颗粒提供了高效的磁损耗，磁耦合效应对磁能的耗散进一步起到了促进作用；而BFC框架则贡献了显著的介电损耗；此外，BFC与FeCoNi之间丰富的异质界面也增强了界面极化损耗。另一方面，Zhang等人通过机械搅拌、碳热还原和混合硫化工艺制备了MOF-FeCoNi@C/Al?O?/SR复合材料。他们的研究指出，FeCoNi纳米颗粒通过自然共振和交换共振表现出磁损耗能力，而均匀分散的MOF-FeCoNi@C则形成复杂的导电网络，进一步提升了导电损耗。

微结构设计在决定微波吸收性能（MAP）方面起着至关重要的作用，其中特殊的结构如空心结构、核壳结构和多孔结构均显示出显著的影响。特别是核壳结构，能够有效地将磁性和介电性组分集成，形成丰富的异质界面，从而增强材料的极化效应。此外，使用磁性材料作为核，能够有效抑制高频涡流效应。例如，Chen等人通过共沉淀和水热法成功制备了核壳结构的FeCoNi@SnO?复合材料。这种材料的优异性能来源于FeCoNi核产生的低频自然共振和高频涡流损耗，SnO?壳产生的偶极极化，以及核壳界面处自由电载流子的积累所形成的显著界面极化。类似地，Yang等人通过化学沉积、高温热解和蚀刻工艺成功合成了具有碳包覆核壳结构的FeCoNi合金衍生物。其高效率源于核壳异质界面处空间电荷不对称性所引起的强界面极化，FeCoNi颗粒产生的多种磁损耗路径，以及碳缺陷或官能团所引发的增强偶极极化。然而，由于复杂的制备过程，这种材料的可控性和大规模应用受到了一定限制。因此，开发简单、高效且可扩展的合成策略显得尤为重要。

基于上述研究，本研究的核心目标是通过工艺创新，制备一种具有磁-碳复合核壳结构的高性能微波吸收材料，该材料具备“超薄厚度、宽频带和可3D打印”的特点。研究人员成功采用凝胶法、涂层碳化和物理混合工艺制备了石墨烯-FeCoNi@碳/聚乳酸（GR-FCN@C/PLA）复合粉末。纳米级的FCN@C核壳结构（颗粒尺寸显著小于皮肤深度）有助于电磁波穿透到颗粒内部，从而增强磁损耗机制的效果。性能测试结果表明，样品G7在20 wt% FCN@C的情况下，反射损耗（RL）最低达到-76.29 dB；而样品G6则在极薄的1.59 mm厚度下表现出-52.37 dB的反射损耗，其有效吸收频段覆盖13.2-18 GHz，宽度为4.8 GHz。与目前报道的FeCoNi/碳基材料相比，所制备的GR-FCN@C/PLA复合材料在低匹配厚度和低填充含量下表现出卓越的微波吸收性能，显示出良好的应用前景。

此外，通过CST软件进行的雷达散射截面（RCS）电磁模拟进一步验证了该材料在电磁波衰减方面的卓越能力。本研究不仅为设计基于中熵合金的核壳材料提供了新的思路，也对推动微波吸收材料从实验室研究向实际应用的转变具有重要意义。

在实验过程中，研究人员使用了多种化学试剂和材料，包括：三水合铁（III）硝酸盐（Fe(NO?)?·9H?O）、六水合钴（II）硝酸盐（Co(NO?)?·6H?O）、四水合镍（II）乙酸盐（Ni(CH?COO)?·4H?O）、丙烯酰胺（C?H?NO）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（C?H??N?O?）和过硫酸铵（(NH?)?S?O?），这些材料由山东凯源生物科技有限公司提供；石墨烯（GR）由宜昌新程石墨有限公司提供；无水乙醇（CH?CH?OH）由国药化学试剂有限公司提供；环氧树脂（EP）等材料则由其他供应商提供。通过这些材料的合理组合和精确控制，研究人员成功构建了具有优异性能的复合体系。

材料表征方面，研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）系统对FCN@C复合材料的形成过程进行了三阶段演化分析。如图2(a)所示，前驱体Fe?CoNiO?呈现出不规则的准球形聚集体，EDS元素映射确认了Fe、Co、Ni和O元素的均匀分布。图2(b)则展示了Fe?CoNiO?@EP具有连续且光滑的涂层形态，碳含量显著增加至60.62原子百分比。这种碳含量的提升源于环氧树脂在材料形成过程中的持续沉淀。此外，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）等手段，研究人员进一步确认了材料的晶体结构和化学组成，为理解其电磁性能提供了重要依据。

通过XRD分析，研究人员发现FCN@C复合材料中FeCoNi合金相的形成过程清晰可见，碳层的包覆使得材料具有良好的界面特性。拉曼光谱则揭示了碳壳中存在丰富的缺陷结构，这些结构对介电损耗和界面极化损耗的增强起到了重要作用。此外，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）对材料的热稳定性进行了评估，结果表明材料在高温下仍能保持良好的结构和性能，为实际应用提供了支持。

材料的电性能测试同样显示出优异的结果。研究人员通过矢量网络分析仪（VNA）对样品的反射损耗和透射损耗进行了测量，结果表明在低匹配厚度下，样品表现出良好的微波吸收能力。例如，样品G7在20 wt% FCN@C和7 wt% GR的条件下，反射损耗最低达到-76.29 dB，表现出极强的吸收性能。而样品G6则在6 wt% GR的条件下，表现出-52.37 dB的反射损耗，其有效吸收频段覆盖13.2-18 GHz，宽度达4.8 GHz。这些结果表明，该材料在低填充含量下仍能实现宽频段的微波吸收，显示出良好的应用潜力。

此外，通过介电谱（Dielectric Spectroscopy）对材料的介电性能进行了系统研究。结果表明，材料在宽频段内表现出良好的介电性能，其介电常数和介电损耗因子均处于较高水平。这种介电性能的提升源于碳壳中丰富的缺陷结构和FeCoNi合金的磁性特性，使得材料在多个频率范围内都能实现有效的电磁波衰减。

为了进一步验证材料的电磁性能，研究人员还进行了雷达散射截面（RCS）模拟。通过CST软件的模拟结果表明，在10.5 GHz频率下，材料的最大RCS减少达到了34.04 dB·m2，这一结果充分说明了该材料在雷达隐身方面的潜力。模拟还显示，材料在多个频率范围内均能实现显著的电磁波衰减，其电磁性能的稳定性得到了验证。

通过这些研究，研究人员不仅成功开发了一种具有优异性能的微波吸收材料，还为相关材料的制备提供了可借鉴的工艺和方法。这种材料在宽频段、低厚度和低填充含量下均表现出良好的吸收性能，显示出在雷达隐身、电子设备防护和通信干扰抑制等方面的应用前景。此外，该研究提出的“原位还原-碳化包覆”策略，为开发高性能、可大规模应用的微波吸收材料提供了科学依据和实用方案。

综上所述，本研究在材料设计、合成工艺和性能测试等方面取得了重要进展。通过合理设计和创新工艺，研究人员成功制备了一种具有核壳结构的FeCoNi@碳复合材料，并将其与石墨烯和聚乳酸结合，形成了一种新型的微波吸收材料。该材料在宽频段、低厚度和低填充含量下均表现出优异的电磁吸收性能，显示出良好的应用前景。此外，通过电磁模拟和性能测试，研究人员进一步验证了该材料在雷达隐身和电磁污染治理方面的潜力。本研究不仅为设计基于中熵合金的核壳材料提供了新思路，也为推动微波吸收材料从实验室研究向实际应用的转变做出了贡献。