具有磁 - 电协同效应的空心 SiO2/Co/CNTs 杂化材料用于高性能微波吸收

《Diamond and Related Materials》：Hollow SiO 2/Co/CNTs hybrid with magnetic-dielectric synergistic effect for high-performance microwave absorption

　　

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  成功制备了具有磁-电协同效应的核壳结构。
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  空心SiO?和碳纳米管有助于改善阻抗匹配，钴层促进了碳纳米管网络的形成。
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  HSM_S@Co@CNTs增强复合材料实现了深吸收和宽带性能。

引言

电磁波在现代通信、导航、遥感、医疗保健和工业控制中起着核心作用。它们在这些领域中既支持信息传输，也支持能量转换 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。与此同时，雷达系统正向更高分辨率、更宽频率范围和多重极化探测方向发展。这些进展虽然提高了探测能力，但对军事装备的电磁隐身性能提出了更严格的要求 [6]、[7]、[8]、[9]。因此，需要高性能微波吸收材料来减少电磁污染并满足日益增长的隐身需求。

根据主要衰减机制，微波吸收材料可分为介电损耗材料和磁损耗材料 [10]。碳纳米管（CNTs）是常见的介电损耗材料，而钴是典型的磁损耗材料。然而，单一损耗机制很少能同时提供强吸收和宽频带特性。将介电组分与磁性组分相结合可以产生互补的损耗机制并改善微波衰减性能 [1]、[11]、[12]、[13]。目前仍存在若干挑战限制该方法的应用。碳纳米管容易团聚，难以在基体中均匀分散。分散不良会阻碍有效导电网络的形成并削弱介电损耗。钴的密度相对较高，会增加吸收体的重量。许多核壳复合材料的介电相和磁性相之间耦合较弱。这种薄弱性会降低阻抗匹配并减少电磁衰减 [14]。因此，需要有效整合这些组分，在保留其优势的同时限制其不足 [13]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。

在本研究中，空心二氧化硅微球（HSM_S）作为模板用于制备一种多组分杂化材料，记为HSM_S@Co@CNTs（空心二氧化硅微球@Co@碳纳米管）。SiO?作为低介电常数和电绝缘相，在软磁微波吸收材料中起着重要作用。它可以分隔磁性颗粒，抑制过度的导电耦合和大规模涡流循环，调节复合材料的介电响应，从而改善介电损耗与磁损耗之间的平衡并促进阻抗匹配。此外，SiO?与磁性组分之间的异质界面可能促进局部电荷积累和界面极化。[21]、[22]、[23] 首先，通过无电沉积在HSM_S表面沉积钴壳层，其厚度通过调节电镀条件来控制。然后通过化学气相沉积在钴包覆微球上原位生长碳纳米管。弯曲的微球表面促进碳纳米管径向生长并减少碳纳米管团聚。这种排列还支持三维导电网络的形成并增强介电损耗。该分级结构将介电组分和磁性组分结合在单一系统内，同时产生大量CNT/Co和Co/SiO?界面，促进界面极化。空心核增加了内部反射和散射，延长了入射电磁波的传播路径 [24]、[25]、[26]、[27]。通过调整钴壳层厚度和碳纳米管生长条件来平衡阻抗匹配和电磁衰减。

章节摘要

材料

微米级空心二氧化硅微球购自曼理纳米材料科技有限公司。SnCl₂·2H₂O、NaH₂PO₂·H₂O、CoCl₂·6H₂O、C₆H₅Na₃O₇·2H₂O、HCl（37%）、NH₃·H₂O（28%）均购自国药化学试剂有限公司。所有试剂均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。

HSM_S@Co@CNTs的制备

图1展示了空心二氧化硅微球@Co@碳纳米管（HSM_S@Co@CNTs）的制备过程。首先，将空心二氧化硅微球（HSM_S）

结果与讨论

采用无电沉积在HSM_S表面沉积钴层。涂层形貌可通过反应温度、盐浓度和反应时间进行调节。图2比较了原始HSM_S与不同电镀条件下制备的Co包覆HSM_S。原始HSM_S表面光滑，直径为1–5 μm。其壳层厚度约为300 nm，如图2a所示。在45、65和80 °C下评估了温度的影响。在这些实验中，

结论

HSM_S@Co@CNT复合材料通过无电沉积后进行化学气相沉积制备而成。该复合材料将空心磁性核壳颗粒与连续的CNT导电网络相结合。该结构支持介电-磁损耗协同效应并改善阻抗匹配。CNT网络提供导电损耗并调节介电性能。CNT/Co和Co/SiO?界面产生界面极化损耗。Co层贡献磁损耗。空心

CRediT作者贡献声明

刘青龙：撰写—初稿，数据管理。 王兰芝：撰写—审阅与编辑。 杜左娟：撰写—审阅与编辑。 唐修芝：撰写—审阅与编辑，调查研究。 刘钰：方法论，形式分析。 岳剑玲：资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国粉末冶金国家重点实验室的支持。

刘青龙|王兰芝|杜左娟|唐修芝|刘钰|岳剑玲