生物废弃物衍生活性炭增强氧化铁复合材料的Ku波段微波吸收性能与机理研究

本研究针对电磁污染与隐身技术对高效吸波材料的迫切需求，创新性地利用生物废弃物衍生活性炭（AC）与氧化铁（IO）构建复合吸波材料。通过球磨法制备的IO/AC复合材料在Ku波段（12-18 GHz）展现出卓越性能：最小反射损耗达-39.09 dB，吸收带宽达5.28 GHz，吸收效率超99.9%。该研究为开发低成本、可持续的高性能电磁波吸收材料提供了新策略，对军事隐身与电磁屏蔽领域具有重要应用价值。

　　

随着第五代通信技术（5G）和雷达探测技术的飞速发展，电磁污染已成为影响电子设备安全运行和人体健康的重要问题。军事领域对隐身技术的迫切需求，以及民用电子设备对电磁兼容性（EMC）要求的不断提升，推动着高性能微波吸收材料（MAMs）的研究热潮。理想的吸波材料需满足“薄、轻、宽、强”的特性——即厚度薄、重量轻、吸收频带宽、衰减能力强。然而传统吸波材料如铁氧体虽具有良好磁损耗能力，但存在密度大、频带窄的局限；碳材料虽介电损耗优异，但阻抗匹配特性差易引发表面反射。如何通过材料组合设计实现磁损耗与介电损耗的协同增效，成为突破技术瓶颈的关键。

在此背景下，国际研究团队在《Next Materials》发表了一项创新性研究，他们另辟蹊径地从可持续发展角度出发，利用生物废弃物衍生的活性炭（AC）与商业氧化铁（IO）复合，开发出具有超宽频吸收特性的新型微波吸收材料。该研究不仅实现了99.9%的电磁波吸收效率，更开创性地将废弃物资源化利用与高端功能材料开发相结合，为绿色材料设计提供了新范式。

研究采用高能球磨技术（HEBM）将椰壳来源的活性炭与氧化铁按不同质量比（20-80 wt%）复合，通过X射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（VSM）、场发射扫描电镜（FESEM）、拉曼光谱（Raman）等系统表征材料结构特性，并采用矢量网络分析仪（VNA）在Ku波段（12-18 GHz）测试电磁参数与吸收性能。值得注意的是，所有复合材料均统一制备为2 mm厚度样品进行公平比较。

材料结构与形貌特征

XRD分析证实球磨后的IO保持赤铁矿相（α-Fe₂O₃），结晶度良好且平均晶粒尺寸为11.02 nm。AC呈现典型无定形碳特征，在复合后未改变IO晶体结构但引起衍射峰宽化，表明球磨过程有效减小粒径并增加界面接触。FESEM显示IO呈球形纳米颗粒（平均尺寸15.4 nm），AC呈现多孔刻面结构，复合后两者形成均匀分散的异质结构。EDX元素分析验证复合材料仅含Fe、O、C元素，无杂质污染。

电磁特性调控机制

介电性能测试表明AC的引入显著提升复合材料的介电常数：实部（ε′）从纯IO的5.23增至AC(80%)的8.23，虚部（ε″）从0.23增至0.79。这种增强源于AC的高导电性带来的电荷传输提升以及IO/AC界面产生的Maxwell-Wagner界面极化效应。磁性能测试发现AC的添加会稀释材料的磁性能：饱和磁化强度（Ms）从纯IO的2.24 emu/g降至AC(20%)的1.65 emu/g，但矫顽力（Hc）因界面各向异性增强而上升。拉曼光谱显示复合材料的I_D/I_G值为1.0，表明缺陷密度增加，这些缺陷作为极化中心进一步增强了介电损耗。

微波吸收性能突破

在2 mm厚度下，AC(20%)复合材料展现出卓越性能：最小反射损耗（RL_min）在16.95 GHz处达-39.09 dB（对应99.99%能量吸收），有效吸收带宽（EAB, RL≤-10 dB）覆盖5.28 GHz（13.45-18.73 GHz）。性能优化主要归因于：①最优阻抗匹配（Z_in/Z₀≈1）确保电磁波有效进入材料内部；②介电损耗与磁损耗协同机制：AC贡献导电损耗、界面极化和偶极极化，IO提供自然共振和涡流损耗；③多重反射与散射效应：纳米尺度的IO颗粒和AC多孔结构延长电磁波传播路径。进一步机理分析通过衰减常数（α）和涡流系数（C₀）证实：在AC(20%)复合材料中，非涡流机制（自然共振、交换共振）主导磁损耗过程，且界面极化是核心损耗机制。

结论与展望

该研究成功开发出具有超宽频吸波性能的IO/AC复合材料，其AC(20%)配方在Ku波段可实现“-39.09 dB反射损耗+5.28 GHz带宽”的优异性能，远超传统铁氧体材料（RL_min=-2.28 dB，EAB=0.60 GHz）。研究通过系统论证界面极化与电磁参数调控的关联机制，揭示了生物碳材料与磁性氧化物协同增强吸波性能的物理本质。从应用视角看，这种以废弃物为原料的绿色制备策略不仅降低成本（椰壳AC成本显著低于石墨烯等碳材料），更符合可持续发展理念。未来可通过优化AC孔隙结构、调控IO晶相组成（如引入Fe₃O₄相）进一步提升低频段性能，推动该类材料在军用隐身涂层、电磁屏蔽室、5G基站防护等领域的实际应用。