通过异质界面工程设计、制备三元SiC/C/Fe?O?纳米阵列及其微波吸收特性

《Surfaces and Interfaces》：Design, fabrication and microwave absorbing properties of ternary SiC/C/Fe 3O 4 nanoarrays via heterogeneous interface engineering

电磁波吸收性能优异的三元SiC/C/Fe3O4纳米阵列复合材料通过异质界面工程实现，其关键机制包括界面极化、磁损耗和三维散射效应协同作用，厚度2.67mm时在7.08GHz处反射损耗达-64.31dB，有效吸收带宽3.2-18GHz。

　　

滕英月|张俊|刘定泽|孙静思|秦子康|李正道|宋胤民

内蒙古工业大学化学工程学院，中国内蒙古呼和浩特市 010051

摘要

为应对日益严重的电磁（EM）污染问题，开发具有优异阻抗匹配和强衰减能力的高性能微波吸收材料至关重要。在本研究中，通过异质界面工程设计并制备了一种三元SiC/C/Fe₃O₄纳米阵列复合材料。非晶碳层作为关键的界面组分，不仅有效分散了Fe₃O₄纳米颗粒，还充当了SiC和Fe₃O₄之间的桥梁，协同调节了复合材料的复杂介电常数并优化了阻抗匹配。经过500 °C的退火处理后，该纳米复合材料表现出卓越的电磁波（EMW）吸收性能：在2.67毫米厚度下，7.08 GHz时的最小反射损耗（RL_min）达到-64.31 dB。SCFan在3.2GHz至18GHz范围内具有宽的有效吸收带宽（EAB），反射损耗小于-10dB。这种优异的性能主要归因于多组分异质界面诱导的增强极化效应、Fe₃O₄的磁损耗以及三维网络结构内的多次散射。

引言

电子技术的快速发展导致了电磁波（EMW）辐射的普遍存在，这不仅干扰了精密仪器的正常运行，还对人类健康构成了不可忽视的风险。为了缓解这些问题，电磁波吸收材料因其高吸收效率、薄匹配厚度和宽有效吸收带宽而成为电磁防护和雷达隐身技术的关键解决方案[4]。一维（1D）纳米材料由于其较大的比表面积和高长径比等独特结构优势，在电磁波吸收领域得到了广泛应用。其中，碳化硅纳米纤维（SiC NFs）[9]作为一种典型的1D纳米材料，具有优异的性能（高硬度、优异的高温耐受性、高导热性和出色的化学稳定性）。由于其四面体晶体结构和sp³杂化作用形成的强C-Si共价键，SiC在极端环境条件下仍能保持出色的微波吸收性能。作为代表性的介电材料，SiC在电磁场作用下会发生极化，通过介电损耗机制将电磁能量转化为热能。此外，层错和悬挂键等结构缺陷充当极化中心，促进偶极极化，从而增强能量耗散。迄今为止，已有大量研究探讨了基于SiC的材料在电磁波吸收领域的应用[12]，为进一步优化其吸收性能和扩展实际应用场景奠定了坚实基础。然而，纯SiC的实际应用受到其单一介电损耗机制和较差阻抗匹配的制约。因此，拓宽损耗机制并引入额外的极化途径对于提升性能至关重要。吴等人[15]和吴等人[16]通过引入磁性组分成功将磁损耗引入基于SiC的材料体系。更重要的是，在具有不同介电性质的组分边界处产生了显著的界面极化。这种由Maxwell-Wagner-Sillars效应[17]调控的界面极化已被证明是增强电磁波吸收的关键机制。尽管这些方法在引入磁损耗方面有效，但由于成本高昂和合成条件苛刻，实际应用面临诸多障碍。因此，开发经济高效且易于实现的替代策略成为该领域的紧迫任务。

过渡金属及其化合物由于其丰富的电子活性位点和可调的电子结构，能够通过协同效应调节SiC的微波吸收性能[18]。金属有机框架（MOFs）是一类由过渡金属阳离子和有机桥接配体构成的典型多孔材料[22]，因具有高导电性、大比表面积和可定制的微观结构而在光电子[23]、催化[24]和微波吸收[25]等领域受到广泛研究。例如，马等人[26]将MoS₂薄膜和磁性Co-MOF衍生物沉积在SiC纳米纤维（NFs）上，通过多层结构和磁损耗优化了阻抗匹配行为，使得最小反射损耗（RL_min达到-60.96 dB（厚度2.09毫米）。另一项研究中，魏等人[27]通过调整金属掺杂比例系统地调节了SiC@Co-CNT复合材料的损耗机制和阻抗匹配行为，实现了-57.67 dB的最小反射损耗（厚度2.63毫米）。这些研究表明，引入含金属组分可以有效丰富SiC原本有限的损耗机制。此外，通过经济高效的方法引入磁性颗粒不仅引入了磁损耗，还促进了自由载流子的迁移和界面电荷分离，增强了极化松弛，促进了肖特基异质界的形成[28]。Maxwell-Wagner-Sillars（MWS）理论证实，两种相之间的介电性质差异是产生强界面极化的必要条件。因此，复合材料中多种损耗机制和界面极化的协同作用被确立为增强电磁波吸收的有效策略。这激发了通过引入MOFs及其衍生物来调节SiC NFs微波性能的研究兴趣。值得注意的是，具有有序多孔结构的MOF骨架具有内在的空间限制能力[29]，这种效应不仅限制了金属活性物种的迁移和聚集，还通过孔径效应调控了Fe₃O₄颗粒的生长动力学，从而确保了纳米级颗粒的形成及其优异的分散性。然而，磁性颗粒本身的高介电常数对复合体系整体介电性质的精确调控仍是一个挑战。碳涂层通过化学键合与MOF骨架形成界面协同作用，进一步增强了空间限制，并抑制了高温退火过程中Fe₃O₄颗粒的奥斯特瓦尔德熟化现象。另一方面，碳涂层的高导电性补充了MOF骨架的多孔特性：不仅优化了Fe₃O₄磁性颗粒之间的磁耦合，还促进了界面极化和导电损耗的协同增强。这种双重功能设计不仅解决了单一MOF或碳基组分对Fe₃O₄颗粒限制不足的问题，还通过协同优化电子传输效率和磁响应行为提升了复合材料的微波吸收性能。

受这些发现的启发，本文创新性地采用简单的气相沉积方法制备了SiC，使其继承了碳布的规则形态，随后去除碳布。然后通过液相沉积引入磁性组分，在退火过程中引入非晶碳层，转化为片状碳化硅纳米纤维（SiC NF）阵列，并通过液相沉积引入磁性组分。在这种三元体系中，磁性组分提供磁损耗并增强导电性，而非晶碳层有效分散磁性组分并连接SiC和Fe₃O₄组分。由此建立了协同的多组分损耗机制，其中SiC作为介电组分，Fe₃O₄作为磁性组分，非晶碳作为介电调节剂，赋予所得SiC/C/Fe₃O₄纳米复合材料优异的电磁波吸收性能。对于所制备的复合材料（记为SCFan），本研究系统地解决了三个关键问题：（1）通过三元协同作用实现的形态工程；（2）复合材料的电磁响应与微观结构特征之间的关联；（3）SiC阵列、C和Fe₃O₄之间的三相界面效应对电磁波吸收机制的调节。本研究为SiC/MOF衍生材料在高性能电磁波吸收领域的应用提供了宝贵见解。

材料

二氧化硅（SiO₂，分析级）由盈创特种化工有限公司提供。高纯度硅粉（Si，纯度≥99.99%）由上海源叶生物科技有限公司供应。九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和对苯二甲酸（H₂BDC）由上海麦克莱恩生化有限公司购买。碳布基底来自科彩宝新材料。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。

SiC纳米阵列结构（SiCas）的合成

结构和化学成分表征

采用多技术表征策略系统地阐明了合成材料的结构和化学性质，从体相鉴定逐步深入到纳米尺度界面分析。

首先通过X射线衍射（XRD）确定了合成样品的晶体结构和相组成，关键结果总结在表1中。如图2a所示，SiC纤维的XRD图谱显示出立方β-SiC的典型衍射峰

结论

通过化学气相沉积、牺牲模板法和溶剂热法相结合，成功制备了一种具有优异电磁波吸收性能的三元SiC阵列/C/Fe₃O₄(SCFan)纳米复合材料。系统表征表明，引入的非晶碳起到了关键的界面桥梁作用，不仅调节了各组分的介电常数，还优化了导电损耗和阻抗匹配特性。

CRediT作者贡献声明

滕英月：概念设计与方法制定，数据整理。 张俊：正式分析，初稿撰写，结果讨论。 刘定泽：实验研究，数据验证。 孙静思：文献综述，撰写与编辑，格式标准化，参考文献整理。 秦子康：数据可视化，正式分析，图表绘制与优化。 李正道：设备调试与维护，实验支持，结果验证。 宋胤民：项目监督。

数据可用性

数据可应要求提供。

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

滕英月：数据整理，概念化设计。 张俊：撰写与编辑，方法论研究，资金申请。 刘定泽：验证，实验研究，数据整理。 孙静思：撰写与编辑，方法论研究，资金申请。 秦子康：数据可视化，结果验证。 李正道：项目管理。 宋胤民：撰写与编辑，项目监督，软件选择，资源协调，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金（2024ZD12, 2025MS02038）、呼和浩特市高校协同创新项目（XTCX2023-08）以及内蒙古自治区高校基础科学研究基金（JY20220158）的支持。