通过同轴电纺技术制备具有磁电多界面耦合结构的FeNi3/碳纳米纤维，用以提升微波吸收性能

《CARBON》：FeNi3/carbon nanofibers with magneto-electric multi-interface coupling framework prepared by coaxial electrospinning for enhanced microwave absorption

　　顾伟华|谭欣|陈子明|陶哲|刘涛|李梦琪|夏艾琳

摘要：日益严重的电磁污染推动了轻质高效微波吸收材料的发展。本研究通过同轴电纺技术和程序控制煅烧方法，成功制备了以甘蔗结构为灵感设计的FeNi3/碳纳米纤维复合材料，并构建了磁电多界面耦合结构。这种同轴封装结构能够将FeNi3纳米颗粒限制在导电碳纳米纤维内部，形成大量异质界面和连续的导电网络。得益于介电损耗、界面极化、偶极极化、导电损耗以及多次散射的协同作用，优化后的样品展现出优异的微波吸收性能：在2.15毫米波长处最小反射损耗可达-49.44分贝，而在1.90毫米波长处的有效吸收带宽为5.88吉赫，覆盖了大部分X波段和Ku波段。此外，在θ=0°时，其最大雷达截面积降低幅度可达26.55分贝·平方米，显示出在雷达隐身应用中的潜力。模拟的电场分布和功率损耗密度进一步证明了FeNi3/CNFs具备高效的电磁能量耗散能力。本研究为设计用于雷达隐身和电磁防护的轻质、宽频带、高效率微波吸收材料提供了新的策略。

引言：随着信息技术的快速发展以及无线通信的广泛应用，电磁波在军事和民用领域的重要性日益凸显[1]。然而，随之而来的电磁干扰和电磁污染问题也愈发严重，这些不仅会降低电子设备的性能，还会对公共安全与人类健康构成威胁[2]。因此，对电磁波的吸收与衰减成为减少电磁污染的最有效手段。开发轻质、宽频带且高效能的电磁波吸收材料已成为亟需解决的研究课题，其在雷达隐身技术中具有重要的应用价值[3]。碳基材料由于其低密度、大的比表面积以及出色的介电损耗特性，被广泛用于吸收材料的研究，这类材料包括碳纳米纤维[4]、碳纳米管[5]、石墨烯[6]、MXene[7]以及碳气凝胶[8][9]。其中，碳纳米纤维因其轻质特性、极高的比表面积、优异的机械性能、高的长径比、独特的一维结构以及出色的导电性，被视为最理想的基质材料[10][11][12]。例如，张等人成功制备了MXene/ZrO2/钨掺杂碳的多维度异质结构混合纳米纤维膜。复合材料中的碳纳米纤维负责形成三维导电网络，从而增强电磁波的多次反射和散射，使得材料的有效吸收带宽达到11.12吉赫[13]。不过，纯碳材料过高的导电性往往会导致阻抗不匹配，从而使电磁波在界面处发生强烈反射，阻碍电磁波深入材料内部，进而大大限制了吸收效率[14]。众所周知，引入磁性金属及其合金（如铁、钴、镍及其多元合金）等磁性成分是调节阻抗匹配的有效方法，因为磁性元素主要依靠自然共振、交换共振和涡流效应等磁损耗机制来与电场相互作用，从而调控材料的电磁参数[15]。例如，蔡等人采用一步水热法合成了表面负载FeNi3纳米颗粒的碳纳米管[16]。加入磁导率更高的FeNi3合金后，材料的吸收带宽得到扩展，当填充率为20%时，其在Ku波段的吸收范围可达到4.2吉赫。FeNi3合金作为一种典型的软磁材料，因其高磁化饱和强度和高磁导率等优异的磁学性能而受到研究人员的极大关注[17]。它在催化性能优化[18]、氢存储技术应用[19]以及电池能量转换领域也展现了出色的性能[20]。不过，关于碳纳米纤维在电磁波吸收中的联合应用研究相对较少。总体而言，FeNi3合金与碳材料结合使用时，在电磁波吸收方面具有巨大潜力。FeNi3纳米颗粒的合成方法多种多样，包括电沉积法[21]、化学还原法[22]以及水热法[23]。然而，磁性金属通常具有密度高、易团聚、机械性能差以及化学稳定性低等缺点[24]。为了解决这些问题，将碳纳米纤维与磁性金属颗粒相结合的复合材料已成为研究热点[25]。这类材料能够实现介电损耗与磁损耗的耦合，从而通过多种能量耗散途径产生协同作用[26]。例如，马等人制备了CoNi合金/N掺杂碳纤维/聚吡咯复合材料，其中负载有磁性CoNi合金的一维碳纳米纤维外层包裹着导电性的聚吡咯。由于介电损耗与磁损耗的协同作用，该材料的最低反射损耗达到了-68.78分贝[27]。为了进一步提升性能，研究人员提出了仿生异质界面工程策略，通过调控界面结构可以显著改变材料的电磁响应特性[28]。例如，杰等人采用电纺技术将中空的ZnFe2O4磁性颗粒嵌入碳纳米纤维中，形成了类似髓鞘的“珠串状”多界面结构，由此制得了ZnFe2O4@C复合纳米纤维，其在2.64毫米波长处的最低反射损耗为-53.6分贝，有效吸收带宽为4.32吉赫[29]。向等人设计的Fe3Si/SiC纳米纤维则是在生长过程中让纳米纤维与纳米线相互交织，形成了独特的蜘蛛网状多界面网络结构。通过温度控制，他们实现了SiC纳米线的原位生成并优化了Fe3Si的分布，从而在较低的填充率下就能获得宽频带的强吸收效果，其有效吸收带宽达5.84吉赫[30]。同轴电纺技术相比传统的单轴电纺技术更具优势，它是一种能够精确控制纤维组成和结构的有效方法[31]。该技术既可以在宏观尺度上构建连续的碳纤维网络，又能够在微观尺度上实现对磁性颗粒的空间限制以及碳的原位热还原[32]。通过调控这种内部封装结构，不仅可以实现阻抗匹配，还能通过界面极化、偶极极化等多种机制优化材料的电磁响应特性，从而显著提升其电磁波吸收效率和宽频吸收性能。在自然界中，甘蔗的结构使其在恶劣环境中具有显著的优势。其完整的外壁起到了物理屏障的作用，使得甘蔗内部结构能够有效抵御外界的腐蚀。经过风干后的多孔结构降低了甘蔗的密度，同时还具备了高效的电磁波控制与耗散能力。这种天然的多级结构可以通过优化阻抗匹配来促进微波的入射，同时利用内部空隙产生多次散射和反射，从而大幅延长电磁波的传播路径，并将电磁能量转化为热能进行耗散。受此甘蔗结构的启发，本研究采用了同轴电纺技术与程序控制温度煅烧相结合的方法，制备了FeNi3/碳纳米纤维复合材料。这些纳米纤维相互交织形成了三维网络结构，进一步促进了材料内部电磁波的多次散射和反射，从而延长了电磁波的传播路径并提升了能量耗散效率。封装在纤维内部的FeNi3纳米颗粒则增强了材料的磁损耗能力。煅烧过程不仅能够调控碳基质的石墨化程度，还能诱导缺陷和功能基团的生成，进而增强偶极极化和界面极化效应。与传统材料相比，这种封装结构在更宽的频率范围内都表现出更优异的电磁波吸收性能。这一优异性能的实现既得益于其磁电耦合设计，也归功于复合材料内部的多种界面效应。所制备的FeNi3/CNFs展现出出色的电磁波吸收性能：在2.15毫米波长处最低反射损耗为-49.44分贝，在1.90毫米波长处的有效吸收带宽为5.88吉赫。此外，当θ=0°时，其雷达截面积的最大降低幅度可达26.55分贝·平方米。电场分布的模拟结果显示，该材料在适宜的温度下具有有效的能量耗散特性以及更好的阻抗匹配性能。功率损耗密度的分析结果进一步表明，电磁能量可以通过多种机制在材料内部得到高效耗散。本研究为设计高性能、轻质化的电磁波吸收材料提供了一种全新的仿生设计理念。

材料部分：聚丙烯腈（PAN，分子量150,000）、醋酸铁（C4H14FeO8）以及乙酰丙酮镍（Ni(acac)2，C10H14NiO4）均购自上海麦克林生化科技有限公司。N,N-二甲基甲酰胺则从国药集团化学试剂有限公司购买。实验中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。

FeNi3/CNFs的制备：FeNi3/CNFs是通过同轴电纺技术及程序控制温度煅烧工艺制备而成的。首先，取0.92克PAN……

材料相态与形态特征：如图1a所示，FeNi3/CNFs样品是通过对同轴电纺纤维进行稳定处理和碳化处理而得到的。同轴电纺技术可以利用同轴针头直接制备出包裹有FeNi3合金纳米颗粒的碳纤维。图1b展示了不同煅烧温度下样品的XRD图谱。在大约2θ=25.10°处出现的宽特征峰对应于非晶碳的(002)晶面[33]，另外三个典型的衍射峰分别出现在44.22°处……

结论：总之，本研究通过采用仿生异质界面工程策略，成功利用同轴电纺技术制备出了轻质型的FeNi3/CNFs材料。这种仿照甘蔗结构设计的多界面耦合结构能够将FeNi3纳米颗粒封装在导电碳纳米纤维内部，有效防止了磁性颗粒的团聚，同时形成了大量的异质结。令人瞩目的是，即便仅使用15%的较低填充率，优化后的材料也已展现出优异的性能……

作者贡献说明：顾伟华：撰写原始稿件、开展研究、申请资金、构思研究方案。谭欣：负责可视化处理、开展研究、整理数据。陈子明：负责可视化处理、开展研究、整理数据。李梦琪：负责监督工作、整理数据。夏艾琳：负责审稿与编辑工作、申请资金。陶哲：负责可视化处理、开展研究、整理数据。刘涛：负责监督工作。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：衷心感谢安徽省自然科学基金项目（项目编号2024AH050145）、安徽工业大学青年基金（项目编号QZ202303）、大学生创新创业训练计划（项目编号202510360019）以及国家自然科学基金（项目编号52272263）所提供的财政支持。