腐蚀环境中SrFe??O??/PEEK复合材料微波吸收性能演化机制

《Materials Chemistry and Physics》：Evolution mechanism of microwave absorption performance of SrFe 12O 19/PEEK composites in corrosive environments

　　

摘要

本研究通过热压成型制备了锶铁氧体（SrFe₁₂O₁₉）/聚醚醚酮（PEEK）复合材料，并将其系统暴露于酸性（HCl、H₂SO₄）、碱性（NaOH）和中性（NaCl溶液、盐雾）腐蚀性介质中。多尺度表征，包括扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和矢量网络分析，揭示了不同的腐蚀路径：碱性介质导致PEEK基体严重表面侵蚀和界面劣化；酸性介质引发局部表面侵蚀和微裂纹扩展；中性盐介质主要引入物理界面扰动。这些微观结构演变直接调控了电磁参数，并显著改变了阻抗匹配与衰减常数之间的平衡。与传统假设相反，H₂SO₄腐蚀样品在10 mm厚度下表现出最佳的整体吸收性能（RL_min = ?37.8 dB，EAB = 3.15 GHz），这得益于介电常数的适度降低、磁损耗的保留以及阻抗匹配的显著改善。相比之下，NaOH处理样品表现出最差的光波吸收性能（RL_min = ?38.4 dB，但EAB = 0.2 GHz），这是由于严重的阻抗失配所致。本研究建立了腐蚀类型依赖的"结构–性能"关联，为设计适用于复杂服役环境的高稳定性微波吸波材料提供了理论依据。

引言

军事和民用领域中日益突出的电磁污染问题，对微波吸波材料在复杂环境中的环境适应性和长期服役稳定性提出了更高要求[1]、[2]、[3]。海上和海洋应用面临高湿度、盐雾、酸雨等多种腐蚀因素协同攻击的严峻挑战[4]，这对传统吸波材料的长期可靠性构成了严重威胁。近年来的研究越来越认识到盐雾和潮湿对铁氧体基复合材料微波吸收性能的不利影响。铁氧化物和氢氧化物等腐蚀产物会显著改变磁吸波材料的表面状态和电磁响应，导致介电常数和磁导率下降。表面保护策略已被证明对于维持海洋环境中稳定的电磁性能至关重要，因为铁基合金特别容易受到环境退化的影响。除了盐雾之外，酸性和碱性环境也对磁介质复合材料的电磁性能构成严重威胁。腐蚀性介质的化学攻击可以通过表面溶解、离子交换和界面劣化来改变复数介电常数和磁导率。这些电磁参数的变化直接影响阻抗匹配和衰减能力，最终决定微波吸收性能。然而，关于不同类型酸碱介质如何差异性调控铁氧体/聚合物复合材料电磁响应的系统对比研究仍然稀缺。碳基和磁性金属吸波材料往往抗氧化性差或密度过高，而铁氧体虽然具有高磁损耗和低成本优势，但在潮湿和化学侵蚀性环境中耐腐蚀性不足。

聚醚醚酮（PEEK）作为一种高性能聚合物基体[5]、[6]、[7]，具有优异的化学稳定性、机械强度和耐热性，使其成为构建耐腐蚀吸波复合材料的理想候选材料[8]。近来的研究展示了PEEK基复合材料在微波吸收应用中的潜力。例如，具有梯度结构的PEEK/MWCNT复合材料实现了超过65 dB的电磁屏蔽效能，反射率仅为21%[57]。三维打印的PEEK/碳纤维超结构被设计用于实现超轻重量（103.1 g）下的宽带微波吸收（3O₄/CNT复合材料在2.16 GHz处表现出优异的低温微波吸收性能，RL_min达到?54.87 dB[60]。此外，还开发了密度为0.49 g/cm³的轻质PEEK/石墨/FeCo复合泡沫，将低密度与良好的吸收性能相结合[61]。锶铁氧体（SrFe₁₂O₁₉）作为一种硬磁相，能够在高频下提供稳定的磁损耗。然而，关于SrFe₁₂O₁₉/PEEK复合材料在不同腐蚀介质（酸性、碱性、盐性）下的性能退化机制的系统对比研究仍然缺乏。界面劣化与微波吸收性能之间的关系已在多种材料体系中得到探索。磁性填充物与聚合物基体之间的异质界面是电磁波界面极化和多次散射的关键位点。当这些界面受到环境侵蚀——无论是化学水解、物理侵蚀还是盐结晶应力——固有电磁损耗机制会逐渐减弱。铁氧体-聚合物复合材料的研究表明，界面完整性直接决定了阻抗匹配与衰减能力之间的平衡，这两个相互竞争的因素最终决定吸收效率。然而，不同腐蚀路径——酸性溶解、碱性水解和盐致物理扰动——如何差异性影响界面状态并随后调控电磁响应，仍缺乏全面理解，这促使本工作采用系统化的研究方法。现有研究大多集中于单一老化环境，尚未建立不同腐蚀路径如何差异性影响界面结构从而调控电磁响应和吸收性能的通用认识[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。

本研究通过将SrFe₁₂O₁₉/PEEK复合材料暴露于模拟酸性、碱性和盐性环境的加速腐蚀实验，结合详细的微观结构表征和宽带电磁性能测试，建立了从"腐蚀类型–界面状态–电磁参数–微波吸收性能"的完整定量关联。特别关注阻抗匹配与衰减能力之间的相互作用，这两个最终决定吸收性能的相互竞争因素。研究结果揭示了腐蚀类型依赖的性能演化谱，发现酸性腐蚀在某些条件下可以通过改善阻抗匹配而意外增强吸收性能，而碱性攻击则导致严重退化。这些发现不仅提供了腐蚀驱动性能演化的机理解释，还为设计适用于海洋和化学恶劣环境的高稳定性吸波材料提供了实践指导。

本工作的科学新颖性体现在三个方面。首先，与以往专注于单一腐蚀环境的研究不同，我们在统一的实验框架下系统比较了酸性、碱性和盐性腐蚀介质，在铁氧体/聚合物复合材料体系中建立了腐蚀类型依赖的性能演化谱。其次，我们揭示了一个意外发现：酸性腐蚀可以通过改善阻抗匹配来增强微波吸收性能，挑战了腐蚀总是导致性能退化的传统假设。第三，我们建立了从"腐蚀类型—界面状态—电磁参数—微波吸收性能"的清晰关联，为复杂服役环境下高稳定性微波吸波材料的合理设计提供了理论依据。

章节摘要

材料制备

将SrFe₁₂O₁₉粉末（纯度≥99.5%，平均粒径1–2 μm）与PEEK颗粒（ZYPEEK? 770G，吉林省聚天新材料有限公司）按10:1的质量比进行干混，以确保初始分散均匀性。根据制造商的技术数据表，该PEEK颗粒的熔体流动率为10 g/10 min（380°C/5 kg），密度为1.3 g/cm³，熔点为343°C，玻璃化转变温度为143°C，拉伸强度为100 MPa，弯曲强度为165 MPa，介电常数

复合材料在腐蚀环境中的微波吸收性能演化

复合材料的性能高度依赖于其微观结构，特别是两相界面的状态。SEM表征显示，在未腐蚀的参考状态下，复合材料的断口表面呈现出典型的"岛–海"结构（图1a、b）。尺寸均匀的SrFe₁₂O₁₉颗粒作为分散相被连续的PEEK基体紧密包裹，界面清晰致密，无明显孔隙或脱粘现象。这种理想的微观结构

结论

本研究系统考察了SrFe₁₂O₁₉/PEEK磁介质复合材料在腐蚀攻击下微观结构、电磁特性和微波吸收性能的演化，得出以下主要结论：腐蚀遵循不同的界面劣化路径：碱性介质引发PEEK基体表面侵蚀和界面劣化；酸性介质导致局部表面侵蚀和微裂纹扩展；中性盐介质主要

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

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魏华树：验证、资源、数据整理。朱正厚：撰写—审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。姜东翰：撰写—原始草稿、方法学、调查、形式化分析

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姜东翰|魏华树|朱正厚

南昌大学物理与材料科学学院，江西 南昌 330031，中国