《Materials Science and Engineering: B》：Fabricating Core-Shell Co@C/PLA/TPU composites via fused deposition modeling for synergistic electromagnetic absorption and mechanical enhancement
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周彦明|吴海华|叶希聪|张芳新|邓世雄|王玉梅|王继远|Quashigah Johnray Ziadzi|徐蕾仪|周一航中国三峡大学机械与动力工程学院，宜昌443002，中国摘要开发宽带、轻质、薄型且机械性能强的电磁波吸收剂对于对抗电磁污染至关重要。本研究通过采用熔融沉积建模（F
周彦明|吴海华|叶希聪|张芳新|邓世雄|王玉梅|王继远|Quashigah Johnray Ziadzi|徐蕾仪|周一航
中国三峡大学机械与动力工程学院，宜昌443002，中国
摘要
开发宽带、轻质、薄型且机械性能强的电磁波吸收剂对于对抗电磁污染至关重要。本研究通过采用熔融沉积建模（FDM）技术制备结构/功能集成的Co@C/PLA/TPU复合材料，解决了同时优化吸收性能和机械性能的挑战。设计的核心-壳层Co@C颗粒能够协同增强介电损耗和磁损耗，而PLA/TPU基体则提供了结构完整性。系统地研究了Co@C含量和结构对微观结构、电磁吸收和机械性能的影响。结果表明，Co@C引入的多级异质界面显著提高了极化松弛、导电损耗和磁损耗之间的协同效应，优化了阻抗匹配。在30%的加载量下，该复合材料在1.90毫米波长处的最小反射损耗（RLmin）为-44.18分贝，有效吸收带宽（EAB）为5.01吉赫，在1.70毫米波长处达到这一效果，同时具有22兆帕的弯曲强度、31兆帕的压缩强度和29兆帕的拉伸强度。高效的微波衰减归因于多重散射、导电损耗、界面极化、涡流损耗和磁共振的综合作用。这项工作展示了FDM技术在制备结构复杂、轻质和高性能吸收剂方面的潜力，为先进电磁屏蔽材料提供了实用途径。
引言
卫星导航、智能通信和电子对抗技术的快速发展，使得复杂电磁环境中的电磁干扰和辐射问题日益严重[1]、[2]、[3]、[4]。在军事应用中，对设备隐身性和电磁兼容性的严格要求催生了高性能电磁波吸收材料的需求，这些材料对于提高战场生存能力和作战效能至关重要。同时，在民用领域，电子设备的持续集成和小型化加剧了电磁污染问题，从而增加了对有效屏蔽材料的需求[5]、[6]。这两种驱动因素共同推动了理想吸收剂的发展——这类吸收剂应具备高吸收效率、结构适应性、低密度和环境兼容性，成为电磁功能材料研究的前沿方向。近年来，出现了多种材料体系，包括磁损耗吸收剂、介电损耗吸收剂及其复合材料，其吸收机制从单一损耗向多机制协同模式演变[7]、[8]。然而，在有限厚度内同时实现强衰减能力、良好的阻抗匹配和可靠的机械性能仍然是一个重大瓶颈，限制了高性能吸收剂的工程应用。
铁、钴（Co）和镍等磁性材料由于其高饱和磁化和显著的磁损耗能力而被广泛用于微波吸收[9]、[10]、[11]、[12]。它们的吸收主要来源于自然共振、交换共振和涡流损耗，这些机制共同促进了有效的磁响应[13]、[14]。然而，这些材料通常受到高密度、易团聚和化学稳定性有限的制约，这些因素共同影响了其实际吸收性能[15]。相比之下，基于碳的材料如石墨烯、碳纳米管和炭黑具有低密度、高电导率和丰富的极化界面等优势[16]、[17]。然而，原始碳材料的主要局限性在于它们主要依赖介电损耗机制。此外，其高导电性可能导致明显的表面反射，从而难以实现最佳阻抗匹配，限制了它们作为独立高效吸收剂的效能[18]。总之，无论是磁性材料还是碳基材料，单独使用时都受到其相对单一损耗机制的制约。这一固有局限性阻碍了它们满足现代吸收剂综合要求的能力：宽频带、轻重量、最小厚度和高机械强度。
为了解决单一组分材料的性能限制，构建集成磁性和碳基材料的多尺度复合材料已成为推进微波吸收剂发展的关键策略。特别是具有核壳结构的碳包覆磁性颗粒因显著的界面耦合效应而受到广泛关注。例如，Zhu等人[19]通过喷雾干燥和热解相结合的方法合成了Fe@C复合材料，显示出明显的介电-磁协同效应。与单一组分材料相比，这些复合材料在低频范围内的吸收性能显著增强，有效吸收带宽（EAB）达到2.8吉赫，最小反射损耗（RLmin）为-48.11分贝（厚度为4.5毫米）。这种性能提升归因于磁性Fe核心提供了强大的磁损耗路径，而导电碳壳层促进了介电极化，从而增强了整体衰减[20]、[21]。类似地，Yan等人[22]通过溶剂热法制备了Ni@C-ZIF复合材料。在40%的加载量和2.7毫米的厚度下，该复合材料的RLmin为-86.8分贝，EAB为7.4吉赫。这种优异的性能源于Ni@C核壳结构产生的丰富异质界面，这些界面强烈促进了界面极化，从而增强了微波耗散[23]、[24]。这些研究共同表明，碳壳层不仅提高了磁性核心的稳定性和分散性，还建立了一个协同的多损耗系统，显著提升了电磁能量转换效率。因此，设计一种由Co磁性核心和石墨壳层组成的Co@C核壳结构，成为开发高效微波吸收材料的有前景的设计范式。
近年来，熔融沉积建模（FDM）技术在制备电磁功能复合材料方面引起了广泛关注。作为一种代表性的增材制造技术，FDM具有操作简单、成本效益高和结构设计灵活性强的显著优势。这种精确的制造复杂结构的能力为实现轻质配置和精细调节微波吸收剂的阻抗梯度提供了新的机会[25]、[26]。在可用的FDM丝材中，聚乳酸（PLA）因其优异的热塑性加工性和高刚性而被广泛用作基体材料。相比之下，热塑性聚氨酯（TPU）提供了更好的柔韧性和抗冲击性。PLA和TPU的策略性混合实现了强度和韧性的平衡，从而协同优化了复合材料的机械性能[27]、[28]、[29]。Liu等人[30]利用FDM技术制备了一种基于PLA/TPU基体的棱柱-蜂窝嵌套吸收剂，填充了高介电损耗炭黑或镍颗粒，从而在7毫米厚度下实现了整个测量频段的有效吸收（≥90%），同时表现出16.4兆帕的压缩强度。这些结果突显了FDM技术的双重优势：它能够制造结构复杂、高性能的吸收剂，并具有集成功能，而PLA/TPU复合基体同时确保了坚固的机械加固。
在此基础上，本研究提出了一种“涂层-碳化”合成策略。首先，通过液相搅拌在Co颗粒表面均匀涂覆环氧树脂（EP），然后进行可控的高温碳化处理，得到具有明确核壳结构的Co@C粉末。随后，通过球磨制备Co@C/PLA/TPU复合丝材，并通过FDM技术进行加工。在该复合系统中，Co@C核壳颗粒作为主要的微波吸收剂，通过介电和磁损耗机制的协同作用耗散入射的电磁能量。同时，PLA/TPU混合物作为坚固的聚合物基体，提供了必要的结构支持和增强的机械完整性。本研究系统研究了Co@C含量及其核壳结构对复合材料的电磁参数、微波吸收性能和机械性能的影响。研究结果阐明了Co@C核壳配置在实现多损耗途径协同衰减中的关键作用。因此，这项工作为设计轻质、高效且结构可定制的电磁波吸收材料提供了新的技术见解。
章节摘录
材料
总结了本研究中使用的原材料，包括其名称、品牌、关键物理性质和供应商。
表1总结了本研究中使用的原材料，包括其名称、品牌、关键物理性质和供应商。
Co@C/PLA/TPU复合材料的制备
表2总结了所制备复合材料的组成配方（标记为Z1-Z4）。Co@C粉末的加载量从10%变化到40%，而所有样品中的PLA与TPU的质量比保持恒定为9:1。
图1
复合材料的微观结构和综合性能
图3展示了合成的Co、Co@EP和Co@C粉末的SEM图像和EDS元素映射。如图3(a)所示，原始Co颗粒呈现出不规则的球形形态，在局部区域有明显的团聚现象。紧密堆积的颗粒形成了致密的空隙。虽然这种团聚可以提供额外的反射界面，但也可能加剧局部涡流效应，从而导致阻抗不匹配，阻碍...
结论
本研究通过采用基于FDM的策略制备结构和功能集成的Co@C/PLA/TPU复合材料，克服了传统吸收剂的局限性。核壳Co@C颗粒建立了多级界面结构，实现了介电和磁损耗的协同作用，而FDM技术实现了精确的几何控制。结果表明，含有30% Co@C（Z3）的复合材料在1.90毫米波长处的最小反射损耗（RLmin）为-44.18分贝
CRediT作者贡献声明
周彦明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，数据分析，概念化。吴海华：资源获取，资金筹集。叶希聪：监督，资源提供。张芳新：验证。邓世雄：验证。王玉梅：验证。王继远：软件支持。Quashigah Johnray Ziadzi：软件支持。徐蕾仪：可视化。周一航：可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
