用于超薄宽带微波吸收的集成芦苇衍生血管碳微梁和 Tb2NiMnO6 纳米晶粒的阻抗梯度双层吸波器

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Impedance-gradient bilayer absorbers integrating reed-derived vascular carbon microbeams and Tb 2NiMnO 6 nanograins for ultrathin broadband microwave absorption

　　

摘要

背景

开发同时提供强衰减、宽工作带宽和超薄厚度的微波吸收体仍然是一个重大挑战。本研究探索了一种梯度工程双层层状设计，结合芦苇衍生血管碳微梁（RVCM）和 Tb₂NiMnO₆ (TNMO) 纳米颗粒，以增强微波吸收性能。

方法

分别合成了 RVCM 和 TNMO 作为介电和磁性组分。实验测量了它们的电磁参数，随后将其用于基于传输线的模拟中，以优化 2–18 GHz 频率范围内阻抗梯度双层结构的吸收行为。

重要发现

在模拟的双层结构中，生物质衍生的 RVCM 复合材料调节波的进入，并通过极化、电荷迁移和多次散射耗散电磁能量，而 TNMO 纳米颗粒通过共振和自旋弛豫过程提供磁衰减。最佳模拟配置在 15.7 GHz 处实现了 -45.2 dB 的反射损耗，总厚度仅为 0.9 mm，而在 1.0 mm 处实现了 5.3 GHz 的最大有效吸收带宽。这种性能源于阻抗调节、介电和磁损耗、界面电荷积累以及反复内部反射的综合作用，展示了生物衍生碳和双钙钛矿陶瓷在轻质超薄宽带微波吸收体方面的潜力。

引言

随着无线通信网络的不断演进，不需要的电磁辐射变得越来越普遍，在宽频率范围内引起了严重的电磁干扰（EMI），威胁着现代电子设备和系统的运行稳定性 [[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些挑战促进了大量开发轻量化微波吸收体的努力，这些吸收体能够在保持减薄厚度和低填料负载的同时，有效地在宽频带上衰减入射电磁波 [[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。然而，在宽频率范围内实现宽带微波吸收，同时保持高效的阻抗匹配和足够的电磁能量耗散仍然是一个主要挑战 [[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。传统的单组分吸收体通常由于介电或磁损耗机制的主导地位而表现出有限的性能 [[22], [23], [24], [25]]。碳基材料通常提供优异的电导率、缺陷诱导极化和多次散射效应，但其过强的介电响应经常导致阻抗不匹配 [[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。相比之下，磁性材料提供磁共振和磁损耗能力，但通常存在吸收带窄和阻抗调节不足的问题。最近的进展表明，当刻意结合介电和磁相以利用其互补的能量耗散机制时，更容易实现宽带微波吸收 [[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]。

从可再生生物质资源获得的碳材料因其轻质、可持续原料以及从自然生物结构中继承的内在分层结构，已成为有前途的介电介质。特别是，从芦苇生物质衍生的血管碳微梁具有互连的导电通路和丰富的结构缺陷，可以促进界面极化并促进电磁波传播到吸收体更深区域 [[43], [44], [45], [46], [47], [48]]。同时，双钙钛矿氧化物因其成分灵活性、可调节的磁相互作用和结构稳定性，已成为有前途的磁衰减材料。Tb₂NiMnO₆ 特别有吸引力，因为有序钙钛矿框架内过渡金属阳离子的共存可以产生多种磁损耗过程并增强电磁能量转换 [[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。尽管基于碳和磁吸收体取得了显著进展，但探索将生物质衍生血管碳结构与稀土双钙钛矿磁相集成在阻抗梯度双层结构中的研究仍然很少。在这种结构中，上层介电层可以改善阻抗匹配并减少表面反射，而下层磁层作为主要的电磁能量耗散区域。这种协同排列实现了电磁波的逐渐渗透，以及介电和磁衰减机制的更有效利用。

与介电和磁性材料的任意组合不同，特意选择 RVCM/Tb₂NiMnO₆ 组合是因为它们互补的电磁响应和结构特征。与传统碳填料相比，生物质衍生的 RVCM 微梁具有天然继承的血管结构，提供互连的导电通路、丰富的极化位点、低密度和适中的介电常数，从而在不产生过强介电损耗的情况下促进高效的阻抗匹配。同时，Tb₂NiMnO₆ 纳米颗粒通过共振和弛豫过程提供稳定的磁衰减，同时保持适中的磁导率。这两种材料的组合建立了从介电入口层到磁耗散层的逐步阻抗过渡，实现了比由介电响应过高或磁损耗不足的材料组成的双层系统更高效的微波衰减。对单个 RVCM 和 Tb₂NiMnO₆ 复合材料的实验表征提供了数值优化所需的电磁参数。使用这些数据集，进行了基于 MATLAB 的传输线模拟，以确定 2–18 GHz 频率窗口内最有利双层厚度组合。

章节摘要

芦苇衍生血管碳微梁（RVCM）的制备

采集自然生长的芦苇茎（Phragmites australis），进行机械清洗，并用去离子水彻底冲洗以去除附着土壤颗粒和表面污染物。在 60 °C 下干燥 12 小时后，将茎切成长度约为 3–5 cm 的段。为了消除无机杂质并部分去除非碳质成分，将 20 g 干燥芦苇块浸入 500 mL 1.0 M 盐酸溶液中，并在 80 °C 下保持 3

形貌和元素分布分析

图 3 展示了芦苇衍生血管碳微梁（RVCM）和 Tb₂NiMnO₆ 纳米结构的场发射扫描电子显微镜图像及相应的元素映射结果。微观结构观察表明，两种组分具有截然不同的几何特征，这有利于构建能够促进互补电磁衰减路径的形貌梯度双层结构。如图 3 所示

结论

本研究通过结合芦苇衍生血管碳微梁（RVCM）与 Tb₂NiMnO₆ (TNMO) 纳米颗粒，并使用实验测量的电磁参数，建立了一种阻抗梯度模拟双层结构。介电 RVCM 复合材料通过导电传输、缺陷和界面相关极化以及多次波散射促进电磁能量耗散，而 TNMO 复合材料通过共振和

CRediT 作者贡献声明

Ali A. Rajhi: 写作 – 审阅与编辑，监督，软件，项目管理，概念化。 Alaauldeen A. Duhduh: 验证，软件，资源，调查，数据整理，概念化。 Sagr Alamri: 可视化，验证，监督，软件，资金获取，形式分析，概念化。

Ali A. Rajhi|Alaauldeen A. Duhduh|Sagr Alamri

机械工程系，工程学院，哈立德国王大学，沙特阿拉伯，阿巴哈 61421