NiCo?O?@SiO?@MnO?复合材料中的异质界面调制技术用于高效电磁波衰减

《Materials Science and Engineering: B》：Heterogeneous Interface modulation in NiCo 2O 4@SiO 2@MnO 2 composites for high-efficiency electromagnetic wave attenuation

通过水热法制备的NiCo2O4@SiO2@MnO2三元复合材料在8.2-12.4GHz频段展现出优异微波衰减性能，1.6mm厚度下10.9GHz处最小反射损耗达-59.8dB。异质界面极化、介电松弛及阻抗匹配协同作用提升吸收效率，为电磁屏蔽和隐身技术提供新方案。

　　

Aarushi Ahlawat|Sachin Tyagi

印度昌迪加尔CSIR-中央科学仪器组织，邮编160030

摘要

通过水热法制备了一种NiCo₂O₄@SiO₂@MnO₂三元复合材料，该材料表现出优异的电磁波衰减性能。合成过程包括将SiO₂和MnO₂层涂覆在NiCo₂O₄颗粒上，形成稳定的多界面分层结构。详细的结构和形态分析证实，该材料具有纯晶相、坚固的框架和可靠的磁性能。在所有合成的样品中，NiCo₂O₄@SiO₂@MnO₂（NSM）复合材料在微波衰减方面表现最为显著。NSM在10.9 GHz频率下，1.6毫米厚度时实现了最低的反射损耗-59.8 dB，并在8.2至12.4 GHz范围内保持了大约3.6 GHz的宽吸收带宽。这种优异的性能得益于异质界面带来的极化增强、介质松弛以及更好的阻抗匹配。研究还表明，介质损耗和磁损耗的协同作用显著提升了材料的电磁干扰屏蔽和隐身性能。

引言

随着对高频通信、雷达和电子设备的依赖日益增加，电磁干扰（EMI）问题日益严重，这可能干扰敏感设备并对民用和国防应用构成威胁[1]。因此，设计能够在宽频率范围内高效工作的薄型轻质微波吸收剂已成为当前研究的重要目标[2]。复合材料是这一领域的主要研究方向之一，因为它们具有可调的物理特性，可应用于民用、国防和航空航天等多个领域[3][4]。这些复合材料可以作为柔性涂层、聚合物形式、薄膜或结构面板，提供机械稳定性和高电磁（EM）衰减效果[5][6]。通常，通过结合介质损耗或磁损耗机制，可以实现从微波到太赫兹波段的良好吸收性能[7]。尽管铁氧体以其优异的磁性能和强微波吸收能力而闻名，但其应用常常受到阻抗匹配不佳的限制[8][9]。通过开发磁介质复合系统来平衡磁性和介电性能，可以克服这一限制，从而提高整体吸收效率[10]。此外，传统的单组分吸收剂往往难以同时满足阻抗和衰减要求，因此包含磁性和介电成分的多组分复合材料成为提高电磁波吸收效果的有效策略[11]。这类复合材料能够产生磁性和介电损耗之间的协同效应，从而改善结构的阻抗和多次反射损耗[12]。NiCo₂O₄是一种具有Ni和Co混合价态的双金属氧化物，具有高电导率、化学稳定性和可调的磁性能。这些特性源于其尖晶石晶格中Ni³⁺/Ni²⁺和Co³⁺/Co²⁺氧化还原对的存在，使得电荷传输更加高效[13]。由于其混合价态结构，NiCo₂O₄被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、水分解和微波吸收领域[14]。其可调的介电常数（ε_r）和磁导率（μ_r）表明其在电磁屏蔽和吸收系统中的巨大潜力[15]。将NiCo₂O₄与SiO₂等介电组分结合使用，可以显著改善阻抗匹配并减少涡流损耗[16]。SiO₂作为一种非磁性绝缘体，不仅可以防止磁性纳米颗粒聚集，还能引入界面极化和偶极松弛[17]。ZnO/SiO₂等复合材料由于改进的界面结构、电荷分离和笼状结构，实现了接近-10.68 dB的最低反射损耗（RL_min[18]。NiCo₂O₄@SiO₂结构结合了磁性和介电性能，但其在潮湿环境中易受腐蚀[19]。MnO₂是一种具有多种氧化态（Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺）的过渡金属氧化物，具有优异的介电损耗和高密度，有助于增强偶极和界面极化[20][21]。基于MnO₂的复合材料（如BaTiO₃@MnO₂/MWCNTs和Ferrite@MnO₂系统）表现出低于-30 dB的最低反射损耗（RL_min和宽吸收带，显示出作为有效介电组分的潜力[22][23]。当与导电或磁性相结合时，MnO₂可以通过调节电荷传输行为和极化强度进一步调控介电常数和阻抗匹配[24][25]。

因此，设计一种NiCo₂O₄@SiO₂@MnO₂三元复合材料为开发高效、宽带、轻质微波吸收剂提供了可行途径。在本研究中，通过可控的水热法合成了这种复合材料，其中NiCo₂O₄作为磁性核心，SiO₂作为介电间隔层，MnO₂作为外部介电损耗层。系统地分析了其结构、形态和磁性能，并研究了8.2–12.4 GHz（X波段）范围内的电磁参数。结果表明，异质结构设计有效促进了界面极化、多重松弛现象和阻抗匹配，从而实现了比双组分复合材料更强的吸收效果。

材料

材料

所需化学品从Sisco Research Laboratories Private Limited购买：四乙基正硅酸盐（TEOS）、过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈）、一水合硫酸锰（MnSO₄·H₂O）、氨水（NH₄OH）和乙醇。此外，六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂.6H₂O）、二水合草酸（H₂C₂O₄.2H₂O）和六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂.6H₂O）从Thermo Fisher Scientific India Private Limited购买。实验使用的是Millipore双蒸馏水。

制备样品的结构、形态和磁性能

原始材料及其复合材料的X射线衍射（XRD）图谱如图2所示。23°、34°、43°、58°和67°处的衍射峰分别对应NiCo₂O₄的（220）、（311）、（440）、（551）和（440）晶面，证实了其尖晶石结构[31]。JCPDS No. 20–078标准的衍射特征验证了纯NiCo₂O₄相的成功形成[32][33]。此外，宽而分散的衍射峰也进一步证实了材料的纯度。

结论

通过水热法合成了稳定的NiCo₂O₄@SiO₂@MnO₂三元复合材料，形成了多界面分层结构。磁性NiCo₂O₄、介电SiO₂和MnO₂的巧妙组合实现了阻抗平衡和界面极化的提升，使得该复合材料成为高效的微波衰减剂。在10.9 GHz频率下，其反射损耗最低为-59.80 dB，厚度为1.6毫米。

CRediT作者贡献声明

Aarushi Ahlawat：负责撰写初稿、方法论制定、数据整理和概念构思。Sachin Tyagi：负责审稿和编辑工作以及整体指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

第一作者感谢印度新德里的CSIR-UGC（大学资助委员会）提供的研究奖学金。同时，作者也感谢CSIR-CSIO主任的支持和鼓励。