《Ceramics International》：Controllable FeSi/SiC Composite Modulation Enhances Low-Frequency Electromagnetic Wave Absorption
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郑瑞|薛守峰|王慧香|王英芬|梁恒亮|李万喜|吕宝良山西师范大学化学与化学工程学院，太原 030031，中国摘要：第五代（5G）通信技术的快速发展加剧了低频段（2–8 GHz）的电磁污染，因此需要开发兼具宽带吸收能力和环境耐久性的高性能电磁波吸收剂。本研究利用声共振杂化技术制备了
郑瑞|薛守峰|王慧香|王英芬|梁恒亮|李万喜|吕宝良
山西师范大学化学与化学工程学院，太原 030031，中国
摘要：
第五代（5G）通信技术的快速发展加剧了低频段（2–8 GHz）的电磁污染，因此需要开发兼具宽带吸收能力和环境耐久性的高性能电磁波吸收剂。本研究利用声共振杂化技术制备了具有可调电磁特性的FeSi/SiC复合材料。通过精确控制FeSi/SiC的比例，协同优化了阻抗匹配和损耗机制，最终在仅3毫米的层厚度下实现了3.84 GHz的C波段有效吸收带宽。这种性能得益于精心设计的三维导电网络、增强的界面极化效应以及磁电耦合。此外，该复合材料在高达600°C的温度下仍表现出优异的抗氧化性。本研究提出了一种可行且可扩展的策略，用于设计轻质、宽带、耐高温的电磁波吸收剂，以有效减轻低频电磁干扰。
引言
无线通信技术的快速发展，尤其是在第五代（5G）网络中，显著增加了对高效电磁波吸收材料（EMWAMs）的需求。[1]，[2]，[3] 与传统的高频雷达电磁波不同，5G电磁信号主要在C波段（4–8 GHz）及更低频率范围内传输。[4]，[5] 此外，电磁波吸收材料在高速飞机和隐形战斗机等武器的制造中也至关重要。[6]，[7] 特别是在极端温度下运行的飞机和隐形战斗机，其高温部件会发出强烈的电磁反射。[8] 因此，能够在苛刻热条件下工作的高性能电磁波吸收材料对于提升先进军用飞机的隐身能力至关重要。
目前，基于聚合物的电磁波吸收材料由于其低密度、易于加工和可调介电特性而成为研究最广泛的材料之一。[9]，[10]，[11]，[12] 然而，这些材料在高温下的热稳定性差和严重的机械降解严重限制了它们在高温环境中的应用。[13] 尽管铁氧体和磁性金属在电磁波频率下表现出显著的磁损耗，但当铁磁有序性崩溃时（即超过居里温度Tc），它们的吸收能力会显著下降。[14] 这种固有的热不稳定性限制了它们在航空航天隐身应用等高温极端环境中的使用。Snoek极限[5]，[6]表明同时提高磁导率和共振频率（fr）是非常困难的，这揭示了在GHz频段实现高磁导率的障碍。然而，通过将这种非磁性材料引入磁性金属中形成合金，可以克服这一限制。[15]，[16] 此外，碳化硅（SiC）基复合材料因其优异的高温热稳定性和机械强度而成为有前景的候选材料。[17] 然而，进一步优化材料比例仍有助于提高其电磁波吸收效率并拓宽有效吸收带宽。[18] 因此，将陶瓷基电磁波吸收剂与具有高Tc的磁性金属结合是一种有效的设计策略，可以增强复合材料的固有热稳定性、抗氧化性和高效波吸收性能。[19]，[20]，[21]
在本研究中，通过使用蜂鸟声共振技术将纳米级蠕虫状SiC颗粒与球形FeSi颗粒混合，制备了FeSi/SiC复合材料。这种方法成本低廉、工艺流程简单且具有工程应用性，能够实现灵活可控的电磁参数以及优异的电磁波吸收效率。此外，多组分复合材料设计通过优化介电参数，在原子尺度上增强了磁性能。所得FeSi/SiC复合材料在低频电磁场中表现出出色的电磁吸收性能，有效吸收带宽（fE）达到3.89 GHz，厚度仅为3毫米。此外，FS-5复合材料在600°C时几乎无质量损失。这些发现证实了人工设计的FeSi/SiC复合材料的有效性、实用性和耐高温性，为设计具有可控电磁波吸收特性的材料提供了新的见解。
章节摘录
SiC的制备
SiC是通过碳热还原法制备的。具体步骤如下：首先将12克酚醛树脂和1克硝酸镍溶解在36毫升乙醇中，然后加入50毫升四乙氧基硅烷并搅拌；接着加入1毫升盐酸，继续搅拌24小时以促进TEOS的水解；最后加入10毫升六亚甲基四胺水溶液以快速凝胶化，干燥后得到干凝胶。
结果与讨论
采用扫描电子显微镜（SEM）对FeSi/SiC的形态和结构进行了表征。图1展示了不同比例FeSi/SiC复合材料的代表性SEM图像（放大50,000倍）。复合材料主要呈现蠕虫状和球形形态，其中蠕虫状SiC构成了整体结构，而球形FeSi颗粒随机分布在纳米级SiC的内部和表面。球形FeSi颗粒的直径约为400–600纳米，而蠕虫状SiC
结论
总之，通过声共振混合技术成功合成了FeSi/SiC复合材料。不同FeSi/SiC比例的样品在不同频段表现出不同的吸收特性。磁性FeSi含量较高的复合材料（FS-6至FS-9）主要在C波段表现出有效吸收，而富含纳米蠕虫状SiC的复合材料在S波段表现出明显的吸收效果。值得注意的是，FeSi与SiC按1:1比例组成的复合材料，在3毫米厚度下
CRediT作者贡献声明
吕宝良：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。郑瑞：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据分析、概念化。梁恒亮：实验研究。王英芬：实验研究。王慧香：数据分析。薛守峰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据分析、概念化。李万喜：软件开发、实验研究
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中央政府的地方科技和发展专项基金（YDZJSX20231A051）、山西省基础研究计划（吕安）联合资助项目（202403011241006）、国家自然科学基金（22505146）、山西省自然科学基金（202303021222189）、山西省优秀博士研究基金（020120240015）以及山西师范大学自然科学基金（JCYJ2023020）的支持。
