生物质衍生SiC@SiO2核壳纳米线的异质界面工程用于宽频电磁波吸收

《Materials Today Nano》：Heterointerface engineering of biomass-derived SiC@SiO 2 core–shell nanowires for broadband electromagnetic wave absorption

　　

摘要

随着电磁环境中对电磁干扰抑制和隐身防护需求的日益增长，轻质、宽频且高效的电磁波（EMW）吸收剂的研究应运而生。碳化硅（SiC）纳米线（NWs）兼具介电损耗能力、热稳定性以及一维网络架构优势，是一种极具前景的陶瓷类吸收剂。然而，其强烈的介电响应往往导致阻抗失配，使得有效电磁波穿透与衰减难以兼顾，从而限制了宽频吸收性能的实现。本研究以生物质基碳为原料，通过碳热还原法制备SiC纳米线，随后经原位氧化构建非晶态SiO₂外壳，形成具有异质结构的SiC@SiO₂核壳纳米线。该材料表现出优异的宽频吸收性能，在2.0 mm厚度下实现最低反射损耗为-52.86 dB，在2.6 mm厚度下有效吸收带宽达到8.08 GHz。电磁仿真进一步证实了该吸收剂具有宽频雷达散射抑制能力。结构与介电分析表明，SiO₂外壳通过调节SiC网络的介电响应改善了阻抗匹配，同时SiC/SiO₂异质界面引发的界面极化与缺陷弛豫及多次散射协同增强了电磁衰减。本研究阐明了异质界面对阻抗匹配与电磁衰减的协同调控机制，为介电电磁波吸收剂建立了"有效穿透—强衰减"的设计理念。

引言

高频通信、雷达探测、电力电子及高度集成电子系统的快速发展，对复杂电磁环境中的器件可靠性、信息安全性和电磁兼容性提出了日益严苛的要求[1], [2], [3]。高性能电磁波（EMW）吸收剂应在具备强衰减能力的基础上兼具薄型化、低密度、宽吸收带宽及环境稳定性[4], [5], [6]。传统磁性金属和铁氧体吸收剂主要依赖磁损耗实现强衰减，但其密度较高、易氧化以及在高温条件下磁性性能退化等问题，限制了其在极端条件下的长期服役[7], [8]。碳基材料和导电聚合物虽展现出优异的传导损耗，但过高的电导率会引发严重的界面反射，且许多有机体系缺乏足够的热稳定性[9], [10]。因此，通过介电结构工程开发以陶瓷为主体的电磁波吸收剂，以同时优化阻抗匹配与能量耗散，是实现先进电磁防护的重要方向[11]。

宽禁带半导体特性、低密度、耐腐蚀性以及在高温条件下优异的热力学和力学稳定性，使碳化硅（SiC）成为恶劣环境下极具前景的介电吸收剂[12], [13]。特别是，一维（1D）SiC纳米线（NWs）具有高长径比和连续传导通道，能够在相对较低的填充量下构建互联的介电响应网络[14]。与此同时，SiC晶体内部的堆垛层错、异相界面和表面缺陷可引入偶极极化和缺陷极化，从而提供额外的介电损耗通道[15]。然而，对于纯SiC而言，较高的介电常数并不必然意味着更好的微波吸收性能。过高的复介电常数或有效电导率会增加吸收剂与自由空间之间的阻抗失配，导致相当比例的入射电磁波在空气/吸收剂界面处被直接反射，而内部的衰减机制尚未来得及充分激活[16]。因此，在保持足够衰减能力的同时实现适当的阻抗匹配，是实现SiC基体系宽频吸收的核心挑战。

异质界面工程为解决这一固有矛盾提供了额外的自由度[17], [18]。与引入高电导率或磁性相不同，在SiC上原位生长低介电常数、低损耗的SiO₂外壳，可以在维持一维SiC框架的同时限制纳米线之间的直接接触，从而调节有效介电响应[19]。更为重要的是，SiC与SiO₂之间在电导率、介电常数和局部电子结构方面的显著差异，可驱动异质界面处的空间电荷积累，从而诱发Maxwell–Wagner–Sillars界面极化[20]。在此背景下，SiO₂不应仅被视为一层对电磁波透明的保护层，而应作为同时调控阻抗匹配并激活极化损耗的功能组分。尽管此前报道的SiC/SiO₂体系已展示了界面构建在微波吸收中的有益作用，但要建立更具说服力的机理框架，仍需在核壳结构、介电弛豫、界面空间电荷分布与远场散射抑制之间建立直接关联，从而阐明实现宽频吸收所依赖的可验证的结构—电磁耦合机制[21], [22]。

为平衡电磁波穿透与介电衰减，本研究以生物质面粉和硅溶胶为前驱体，通过碳热还原与气相生长法制备了SiC@SiO₂核壳纳米线（NWs），随后在1100 °C下进行原位氧化。所得结构将高损耗的一维SiC框架与相对低介电常数的SiO₂外壳相结合，在保留有效衰减通道的同时改善了阻抗匹配。与此同时，SiC/SiO₂异质界面和结构缺陷对极化弛豫和介电损耗作出贡献。此外，核壳结构、介电响应、电子全息相位分布与雷达散射截面（RCS）仿真之间的关联，建立了结构特征与电磁散射抑制之间的多尺度联系。SiC@SiO₂纳米线在17.66 GHz（2.0 mm）处实现了最低反射损耗（RL_min）为?52.86 dB，在2.6 mm厚度下最大有效吸收带宽（EAB）为8.08 GHz。本研究为陶瓷材料实现强而宽的电磁波吸收提供了一种异质界面工程策略。

各节摘要

原料

从当地市场购得商品面粉（(C₅H₁₀O₅)_n），含糖类约75 wt.%，作为制取SiC纳米线时易得且低成本的生物质基碳源。中性硅溶胶（30 wt.% SiO₂）由山东优索化学科技有限公司提供，用作硅源。合成SiC纳米线过程中使用高纯氩气作为保护气。所有原料均为直接使用，未经进一步纯化。

SiC@SiO₂核壳纳米线的制备

内层

SiC@SiO₂纳米线的制备、相组成与结构表征

图1以示意图的形式展示了SiC@SiO₂纳米线的制备过程。首先，采用激活石墨坩埚盖通过化学气相沉积（CVD）法合成SiC纳米线。合成后，将SiC纳米线在600 °C下进行1 h热处理，使其与坩埚盖分离。随后在1100 °C下氧化30 min，诱导纳米线表面原位生长SiO₂外壳，从而得到SiC@SiO₂核壳纳米线。主要涉及的反应为

结论

本研究以生物质基碳为原料，通过碳热还原后原位氧化合成了SiC@SiO₂核壳纳米线（NWs）。所得陶瓷框架在空气中约1000 °C以下保持近质量的稳定性，并在2.0 mm厚度、17.66 GHz处实现了?52.86 dB的RL_min，在2.6 mm厚度下最大EAB为8.08 GHz。更为重要的是，核壳结构展示了相对低介电常数的SiO₂外壳所发挥的双重作用

CRediT作者贡献声明

宋力蒙：撰写—初稿、概念设计、形式化分析、可视化。许新：数据管理、软件、验证。胡飞跃：审稿与编辑、方法学、资源、监督。贾世豪：调查研究、验证。宋程：调查研究。张俊雄：验证、可视化。王林安：调查研究、验证、可视化。纪祥：验证、形式化分析。李梦茹：方法学、调查研究。程克强：软件、数据管理、形式化分析。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52502079）、中国博士后科学基金（2024M760816）、河南省青年人才支持项目（2026HYTP045）、河南省科学院高层次人才研究启动基金（241821239和20251843002）、河南省自然科学基金（252300423415和262300422028）以及河南省科学院科技研究项目（20262321009）的资助。

宋力蒙|许新|胡飞跃|贾世豪|宋程|张俊雄|王林安|纪祥|李梦茹|程克强|朱小平|范冰冰|任宣如