碳化硅纤维织物上电化学沉积磁性组分以增强电磁波吸收性能

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Electrochemical deposition of magnetic components on SiC fiber fabric for enhanced electromagnetic wave absorption

　　

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  Ni²⁺锚定的PDA位点引导NiCo在SiC纤维织物上的生长。
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  沉积时间驱动NiCo从核/团簇向互连网络演变。
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  SiC@Ni-Co?在2.5 mm处实现9.3 GHz的EAB，在2.2 mm处实现-43.55 dB的RL_min。
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  互连的NiCo沉积物增强了区域间的磁相互作用。
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  介电-磁损耗平衡优化了阻抗匹配。

引言

随着轻质高频电子器件和集成系统的快速发展，EWA材料不仅需要具有强衰减性能，还需要具备结构适应性和可调功能[1]、[2]、[3]、[4]。SiC纤维织物作为一种有前景的纤维基吸波材料，因其低密度、优异的化学稳定性和机械强度高的编织结构而引起了广泛关注[5]、[6]。然而，SiC通常被视为介电吸波材料，其电磁能量耗散以介电损耗为主[7]。这种有限的损耗机制限制了整体电磁吸波性能的进一步提升。因此，在SiC纤维表面引入磁性组分以构建具有协同介电损耗和磁损耗的复合体系，是提高SiC纤维基材料微波衰减能力的一种可行途径[8]、[9]。

人们已探索了各种方法将磁性组分引入SiC纤维基基底。包括溶液法或吸附驱动法、热处理、磁控溅射、浸渍法和MOF衍生法等方法已被用于引入Fe、Co、Ni及其合金相，从而增强渗透率并激活包括自然共振、交换共振、畴壁运动和涡流损耗在内的磁损耗机制[10]、[11]。然而，这些方法通常存在对磁性组分的生长和分布控制有限的问题[12]、[13]。例如，溶液法或吸附驱动法通常会导致局部聚集、表面覆盖不均匀或在织物内部区域负载不足[14]。热处理虽然能促进结晶，但可能进一步导致粒子粗化和相分离，最终损害饱和磁化强度[15]、[16]。即使是磁控溅射，尽管能产生相对均匀的涂层，但无法完全调控磁畴的尺寸或连通性[17]、[18]。因此，克服这些局限性并实现最优磁性能，要求磁性组分的引入超越简单的组成加载，特别需关注金属和合金磁性组分的生长与分布，以最大化磁损耗[19]、[20]、[21]。

在这一背景下，电化学沉积提供了一种可行的策略，因为磁性复合材料可以在电场调控下直接在纤维-电解质界面形成[22]、[23]。更普遍地说，电化学方法能够实现温和的界面氧化还原反应，具有可调的动力学和形貌，特别适合磁性组分在导电性或表面活化SiC纤维基底上的保形生长[24]、[25]。与随机吸附（磁性物种容易分布不均匀）或热诱导相变（可能导致粒子粗化和相分离）不同，电沉积能够更可控地形成磁性复合材料[26]。通过调节沉积时间，可以有效控制成核密度、粒径、粒子间间距和沉积物连续性，从而间接调控磁粒子间的相互作用[27]、[28]。随着沉积过程的进行，磁性复合材料预计将从分散的沉积物演变为互连的金属/合金网络，从而增强磁响应并激活多种磁损耗途径，包括共振损耗和涡流损耗。同时，三维编织结构和粗糙多孔的纤维表面允许沉积粒子生长并连接成网络，延长了电磁波传输路径并增强了磁损耗[29]、[30]。因此，电化学沉积不仅为在SiC纤维织物上引入磁性组分提供了一种有效途径，而且显示出调控其生长状态、网络连通性和磁响应的巨大潜力。这种可控的结构演化有望协同调节磁损耗和介电损耗，优化阻抗匹配，并最终提升电磁波衰减性能。

在这种以磁损耗为导向的设计引导下，本研究采用电化学沉积来调控SiC纤维织物上磁性组分的成核、生长和连通性。在这项工作中，使用盐酸多巴胺在SiC纤维上形成聚多巴胺（PDA）涂层，从而引入Ni²⁺基活性位点，随后进行磁性组分的电化学沉积。在电沉积过程中，预先引入的Ni²⁺物种预计可以促进界面还原并促进磁性复合材料在SiC纤维表面的原位生长。更重要的是，受调控的磁性沉积物连通性进一步增强了相邻区域间的磁耦合，激活了与共振相关的磁耗散和涡流型损耗。相应地，构建了NiCo系列，并系统研究了其相组成、微观结构、界面特征和EWA性能。还进一步开发了Ni-Fe和Ni-Ni系列以验证电化学沉积策略的有效性。在Ni-Co系列中，预处理溶液中Ni²⁺浓度和CoCl₂电解液浓度均固定在0.5 mol L^?1，并采用2000 s电沉积时间制备的样品表现出最优的EWA性能，在2.5 mm处实现了9.3 GHz的EAB，在2.2 mm处实现了-43.55 dB的RL_min。这些结果表明，具有可控相生长、界面演化以及磁耗散激活的电化学沉积为构建高性能纤维支撑磁介电吸波材料提供了一条实用途径。

章节摘要

材料

所用起始材料包括SiC织物、去离子水、无水乙醇、盐酸多巴胺、Tris缓冲液、六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O）、六水合氯化钴（CoCl₂·6H₂O）、硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃）、氢氧化钾（KOH）和氨水（NH₃·H₂O）。除另有说明外，所有化学品均购自阿拉丁工业股份有限公司（中国上海），直接使用而未进行额外纯化。

SiC纤维织物的预处理

首先将SiC织物浸泡在

磁性SiC纤维织物复合材料的制备

电化学沉积提供了一种可控的策略，用于将磁性组分引入SiC纤维织物，从而补偿原始SiC单一的介电损耗行为并改善其阻抗匹配。图1a、b示意性地展示了制备路线，包括多巴胺辅助预处理和后续的电化学沉积。由于原始SiC纤维织物电导率低且表面活性有限，直接

结论

在本工作中，开发了一种可控的电化学沉积策略，用于构建磁性组分改性的SiC纤维织物以增强EWA。通过多巴胺辅助预处理引入Ni²⁺锚定的活性位点，使磁性组分能够在SiC纤维表面原位成核和生长。通过调节沉积时间，沉积的NiCo相从分散的核/团簇演变为互连网络并最终形成致密层，从而

作者贡献声明

Wenlei Sun：撰写—审校与编辑，撰写—初稿撰写，验证，调查，形式化分析，数据整理。Zijing Li：撰写—审校与编辑，数据整理。Hongjing Wu：撰写—审校与编辑，监督，资金获取。Manjie Chen：验证，数据整理。Jiaming Wen：方法论，调查，概念化。Zhaoxiaohan Shi：验证，调查。Yuhua Miao：验证，数据整理。Xiaomeng Fan：撰写—审校与编辑。Mengyao Cui：撰写

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文所报告的工作产生影响。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

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致谢

本研究获得国家自然科学基金（52231007、51872238和21806129）、中央高校基本科研业务费（3102018zy045、3102019AX11和5000220455）、中国陕西省自然科学基金项目（2017JQ5116和2020JM–118）以及河南师范大学化学与化工学院开放研究基金（2021YB03）的资助。

Wenlei Sun|Zijing Li|Zhaoxiaohan Shi|Yuhua Miao|Manjie Chen|Jiaming Wen|Mengyao Cui|Limin Zhang|Xiaomeng Fan|Hongjing Wu