壳聚糖衍生碳/链状钴镍复合气凝胶用于高效电磁波吸收、雷达隐身及隔热

《Environmental Research》：Chitosan-derived carbon/chain-like CoNi composite aerogels for efficient electromagnetic absorption, radar stealth and thermal insulation

　　

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  制备了磁性CoNi修饰的壳聚糖衍生碳复合气凝胶。
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  链状和多孔结构设计增强了电磁耗散。
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  在10 wt.%填充量下达到了8.08 GHz的超宽吸收带宽。
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  通过调整CoNi的添加量调节了电磁吸收性能。
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  在二元复合气凝胶中实现了雷达隐身和隔热性能。

引言

随着5G通信时代的到来，电子设备的广泛使用不仅促进了人类日常生活，也带来了日益严重的电磁辐射污染，对信息安全、军事防御、精密仪器运行和生物健康构成潜在威胁[1]。因此，开发具有强吸收、宽带宽和多功能集成的新型电磁波（EMW）吸收剂已成为迫切需求[2]。然而，现有的电磁波吸收剂在低填料填充比（?_w）下实现宽有效吸收带宽（EAB）、最小反射损耗（RL_min）和多功能集成方面仍面临瓶颈。因此，需要在材料组成和结构设计方面取得突破。

由于具有高饱和磁化强度和大的磁导率等优势，合金已成为广泛使用的电磁波吸收材料。其中，CoNi合金凭借其优异的磁损耗性能和与碳材料的良好相容性，在电磁波吸收领域引起了广泛关注[3]。先前的研究表明，控制CoNi合金的微观结构是提高其电磁波吸收性能的有效方法[3, 4]。以一维（1D）链状结构为例，其各向异性形状导致磁畴在外磁场下沿链方向排列，增大了平行和垂直方向退磁因子的差异，从而增强自然共振，进一步突破Snoek极限，最终在S波段和C波段实现强电磁波吸收[4]。此外，各向异性形状产生的强磁耦合效应可以增强磁损耗；同时，链状CoNi合金中的颗粒间接触增加了电子迁移距离，从而增强介电损耗[4]。然而，纯CoNi合金往往存在阻抗匹配不良的问题，这限制了电磁波吸收性能的进一步提升。将CoNi合金与其他材料结合已被证明是解决这一问题的有效策略。例如，Shi等人通过溶剂热反应、多巴胺原位聚合及后续退火处理合成了链状CoNi@C核壳异质结构。由于传导损耗、界面极化和磁损耗的协同效应，该复合材料表现出优异的电磁波衰减能力。具体而言，优化的CoNi@C-7复合材料在高?_w（50 wt.%）下表现出-50.3 dB的RL_min和4.16 GHz的适中EAB[5]。He等人通过喷雾干燥和烧结工艺实现了CoNi和氮化硼（BN）的有效组装，构建了球形CoNi@BN异质结构。与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合后，所得的CoNi@BN/PDMS复合材料在匹配厚度（d）为4.4 mm时表现出-49.9 dB的RL_min和2.4 GHz的EAB，完全覆盖了5G n79频段。此外，其面内热导率达到7.31 W/(m·K)，约为纯PDMS的11.4倍，展现了电磁波吸收与热管理的优异集成效果[6]。

壳聚糖作为一种天然生物质材料，具有环境友好、可生物降解和易于加工等特点[7]。其丰富的氨基官能团使其成为制备氮掺杂碳材料的理想前驱体[1, 7]。在碳化过程中，氮原子被引入碳骨架中，产生缺陷和偶极极化，有效促进电磁波的衰减[2]。虽然壳聚糖衍生碳（CDC）气凝胶在电磁波吸收领域展现了巨大潜力，但单一的介电损耗机制和阻抗不匹配仍然限制了其电磁波吸收性能的进一步提升。先前的研究表明，引入磁性组分是改善CDC气凝胶电磁波吸收性能的有效方法[5, 6]。通过结合不同材料，可以有效调节介电常数。通过引入第二相或进行组分替代，可以改变材料的极化行为、电导率和弛豫特性，从而在宽频范围内优化介电性能[8, 9]。例如，Chu等人通过单向冷冻干燥及后续高温碳化工艺合成了钴改性壳聚糖衍生碳基气凝胶（CoNC）。由于传导损耗、界面极化和磁损耗的协同效应，该复合材料表现出优异的电磁波衰减能力。具体而言，优化的CoNC气凝胶实现了-38.92 dB的RL_min和6.75 GHz的EAB[7]。Liu等人通过将中空Co基沸石咪唑酯框架（ZIF-67）颗粒与壳聚糖结合，经冷冻干燥及后续碳化工艺制备了分级多孔C/Co气凝胶。中空Co微球和三维（3D）导电碳框架的协同效应增强了界面极化、偶极弛豫和传导损耗，有效缓解了阻抗不匹配问题。结果表明，所得C/Co气凝胶在2 mm薄厚度下表现出优异的电磁波衰减性能，RL_min为-65.5 dB，EAB为6.32 GHz[10]。据我们所知，目前关于利用形貌可控CoNi合金修饰CDC气凝胶制备高效多功能电磁波吸收材料的研究报道相对较少。

受前人研究的启发，本文首先采用溶剂热法合成链状CoNi合金作为磁性组分。将其与壳聚糖基体结合并在高温下碳化后，成功制备了CDC/链状CoNi复合气凝胶。与之前基于零维CoNi颗粒的CDC/CoNi复合气凝胶[1, 2]不同，本文引入的链状CoNi是由多个球形CoNi颗粒沿一维方向组装或连接而成，在CDC骨架上形成了磁网络。此外，链状CoNi合金中的颗粒间接触将增加电子迁移距离，从而增强介电损耗。通过系统控制磁性组分的含量，探讨了其电磁波吸收性能的影响规律，阐明了介电-磁协同损耗机制。在仅为10 wt.%的低?_w下，最优样品在2.75 mm处表现出-62.45 dB的RL_min，在3.07 mm处达到最大EAB 8.08 GHz。本研究为利用可再生生物质资源开发高性能、多功能和环境友好的电磁波吸收材料提供了新的思路。

章节摘要

链状CoNi合金的合成

链状CoNi合金通过溶剂热法合成。首先，将2 mmol的CoCl₂·6H₂O和2 mmol的NiCl₂·6H₂O溶解在36 mL乙二醇（EG）中。完全溶解后，加入0.6 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP），将混合物在磁力搅拌下搅拌1 h。然后，向上述混合物中缓慢加入3 mL N₂H₄·H₂O，继续磁力搅拌30 min。将所得混合溶液转入聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，

结构、成分和磁性性能分析

通过X射线衍射（XRD）表征了CDC/链状CoNi复合气凝胶的晶体结构。如图2(a)所示，所有样品在2θ = 44.2°、51.5°和75.9°处均表现出特征衍射峰，分别对应于CoNi合金的(111)、(200)和(220)晶面。随着CoNi合金添加量的增加，各衍射峰的强度呈上升趋势。值得注意的是，衍射峰的位

结论

总之，通过溶剂热反应、溶液混合及后续高温碳化处理，制备了具有低堆积密度和独特三维多孔网络结构的CDC/链状CoNi复合气凝胶。通过调整链状CoNi合金的添加量，可以控制二元复合气凝胶的电磁参数，从而实现电磁波吸收性能的有效调节。当链状CoNi的含量

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致谢

本工作得到粉末冶金国家重点实验室、中南大学（编号：Sklpm-KF-2026031）和安徽省自然科学基金（编号：2008085J27）的支持。

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