通过球磨法制备的具有丰富异质界面的铁@石墨复合材料及其高效微波吸收性能

《Diamond and Related Materials》：Fe@graphite composites prepared by ball milling with abundant heterogeneous interfaces for efficient microwave absorption properties

　　

摘要

电磁污染日益加剧，对高性能吸波材料提出了更高要求。本研究分别通过球磨和直接混合法制备了Fe@石墨（Fe@G）和Fe@石墨烯（Fe@Gr）复合材料，并对其电磁性能进行了研究。结果表明，球磨法可产生更细小的粒径、更多的异质界面以及增强的界面极化效应，适用于Fe@G。与石墨烯相比，石墨具有更适中的导电性，可在不发生阻抗失配的情况下实现强导电损耗。因此，球磨法制备的Fe@G复合材料表现出最优的吸波性能。特别是，厚度为2.5 mm的球磨Fe@5G-70%（66.5%，3.5%）样品在4.72 GHz处实现了最小反射损耗为?37.73 dB，而厚度为2 mm的球磨Fe@66G-30%（10%，20%）样品在12.08 GHz处实现了最小反射损耗为?37.56 dB。本研究为高性能碳基电磁波吸收材料的设计与制备提供了重要指导。

引言

随着5G时代的到来，各类电子设备和通信技术的快速发展给我们的生活带来了巨大的便利。然而，混乱的电磁辐射所造成的污染和干扰已严重影响了设备的正常运行，甚至对人类健康造成了影响 [1]、[2]、[3]、[4]。因此，开发具有轻质、强吸收能力和宽吸收带宽等特性的理想电磁波吸收材料已成为当务之急 [5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。

当电磁波遇到吸波材料的表面时，一部分进入材料内部，另一部分被反射。随后，材料内部的电磁波在传播过程中经历多次反射和散射。通过介电损耗和磁损耗，电磁能量被转化为热能或其他形式的能量，从而实现电磁波的吸收 [11]、[12]、[13]。总之，对于电磁波吸收材料而言，必须遵循两个原则：第一，当入射电磁波遇到吸收体时，应确保最大限度地进入材料内部，同时最大限度地减小反射波；第二，电磁波在吸收体内部传播时，应最大限度地增大衰减量。

碳材料因其密度低、稳定性高、比表面积大、柔韧性优良以及导电性优异等特点，在电磁波吸收领域受到了广泛关注，如石墨、石墨烯和碳纳米管 [14]、[15]。然而，纯碳材料的阻抗匹配性能较差，限制了其电磁波吸收性能和应用场景。由于上述原因，纯碳材料通常被视为屏蔽材料而非吸收材料，因为其高导电性会引发强烈的电磁波反射。为解决这一问题，通常掺入金属、金属氧化物或磁性材料来修饰碳基复合材料的组成、界面和缺陷，引入磁损耗机制以吸收电磁波 [16]、[17]、[18]、[19]。Yang等人利用等离子喷涂技术制备了石墨/Al₂O₃复合材料，并研究了其微波吸收性能，发现厚度为2.3 mm的样品在9.8 GHz频率下实现了?16.8 dB的反射损耗，且具有较宽的有效吸收带宽 [20]。Pang等人通过两步湿化学法合成并在200 °C下煅烧，制备了CNT-NiFe₂O₄@MnO₂复合材料，实现了?17 dB的最小反射损耗和3.8 GHz的有效吸收带宽 [21]。Shu等人采用水热法合成了rGO/MWCNTs/ZnFe₂O₄纳米复合材料，其中ZnFe₂O₄纳米粒子分布在MWCNT表面并与rGO相连，诱发了界面极化效应。该结构实现了?23.8 dB的最小反射损耗和2.6 GHz的有效吸收带宽 [22]。

本研究分别通过球磨和直接混合法制备了Fe@石墨（Fe@G）和Fe@石墨烯（Fe@Gr）复合材料，并对其电磁波吸收性能进行了研究。与石墨相比，石墨烯过高的电导率会导致阻抗失配，不利于复合材料的电磁波吸收性能。更重要的是，与直接混合法相比，球磨法可将Fe和G研磨成更细小的片状和颗粒，增加异质界面数量并增强界面极化效应。此外，羰基铁粉表面的官能团以及球磨过程中产生的缺陷诱发了强偶极极化效应。因此，球磨法制备的Fe@G复合材料表现出更优异的微波吸收性能。特别是，厚度为2.5 mm的球磨Fe@5G-70%（66.5%，3.5%）样品在4.72 GHz处实现了?37.73 dB的最小反射损耗，而厚度为2 mm的球磨Fe@66G-30%（10%，20%）样品在12.08 GHz处实现了?37.56 dB的最小反射损耗。本研究为高性能微波吸收材料的制备提供了有效策略。

章节摘要

球磨法制备Fe@G复合材料和Fe@Gr复合材料

按照所需的质量比称取羰基铁粉（Fe(CO)₅，AR）和石墨（Canrd，MA-EN-AN-0012，AR），放入真空球磨罐中，使用氧化锆陶瓷球进行球磨。不同直径的球的质量比为10 mm：5 mm：3 mm = 4:3:3。将球磨罐放入球磨机中，以200 rpm的速度旋转24小时，即可获得Fe@G复合材料。所得样品命名为Fe@nG-m（a，b），其中n表示石墨在

结果与讨论

如图1(a)和图1(e)所示，羰基铁粉和石墨的粒径分别介于2至10 μm和20至40 μm之间。经过球磨后，图1(b-d)和图1(f-h)表明羰基铁粉和石墨已成功混合。同时，羰基铁粉的粒径减小至2至5 μm，石墨减小至5至10 μm。此外，球磨法还会在两者之间产生丰富的异质界面

结论

本研究通过球磨和直接混合法制备了Fe@G复合材料和Fe@Gr复合材料。结论是球磨法制备的Fe@G复合材料表现出最优的电磁波吸收性能。这是因为与直接混合法相比，球磨法在Fe和G表面产生了更多的缺陷，增强了偶极极化效应。同时，球磨过程将Fe和G研磨成更小的片状或颗粒，增大了比表面积，扩大了

CRediT作者贡献声明

姚亦轩：撰写——初稿、方法论、调查研究。王 lanzhi：方法论。唐艳红：调查研究。龚俊：撰写——审阅与编辑。刘宇：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。李叶俊：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

姚亦轩|王 lanzhi|唐艳红|龚俊|刘宇|李叶俊