铁磁金属基复合材料电磁波吸收研究进展

王刚，张栋

（1.国能辽宁环保产业集团有限公司沈水湾污水处理厂，辽宁 沈阳 110000；2.沈阳化工大学 资源化工与材料教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110142）

经过150多年的孕育和发展，电磁技术已经成为当今社会最重要的科技来源之一，帮助我们实现了智能信息和通信的梦想，并已深入到我们生活的方方面面[1-2]。然而，各种数量级增长的电子设备也会产生一些不良的副作用，如电磁波的过量辐射会导致电磁干扰和污染[3-4]。对电磁污染级电磁辐射的防范正在演变为一个广泛关注的社会问题[5-6]。在过去的几十年里，电磁吸收逐渐比传统的电磁屏蔽受到更多的关注，因为它可以通过能量转换而不是物理反射的方式来实现入射电磁波的耗散，从而大大降低了二次电磁污染的风险[7-8]。在军事领域，电磁吸收技术也为降低机动武器装备的雷达截面和信息泄露概率提供了有效的策略[9-10]。

众所周知，电磁波在空间中通过电场和磁场以相同的方向相互垂直传播，这就决定了有两种可能的途径可以中断电磁波的传播，并最终通过与电场或磁场分支的相互作用实现电磁波的吸收耗散。因此，具有吸收特性的电磁功能介质，通常被定义为电磁波吸收材料，可分为磁损耗型和介质损耗型两类[11-12]。铁磁金属由于其良好的性能，在电磁吸收的早期研究中占据主导地位，其中一些电磁体，如羰基铁等已成功开发为商用电磁体[13]。但其高密度和填料负载无法满足即将到来的新一代电磁吸收技术的应用要求，特别是其易氧化、腐蚀等固有缺陷，极大地制约了其在一些室外恶劣条件下的长期使用，如高温暴露、潮湿、盐雾等[14]。在众多介电候选材料中，SiO2介电层表现出良好的化学稳定性，可以在很大程度上保护磁性材料不容易氧化和腐蚀，更重要的是，SiO2的介电性能可裁剪、密度低、形态多样、储量丰富，显示出巨大的潜力。

在电磁吸收领域，核壳结构铁磁金属基复合材料正成为一种极具吸引力的潜在材料，在电磁污染防治方面具有广阔的应用前景，国内外相关文献的数量呈数量级增长。因此，梳理这一研究分支的现状和总结共性发现，挖掘隐藏的线索，将有助于相关领域的研究人员取得更多的突破。本文从内置铁磁金属和外置介电层入手，介绍了核壳铁磁金属基复合材料的研究进展。在此基础上，对目前核壳碳基复合材料发展面临的挑战和机遇进行了深入探讨，并对未来的研究提出了一些展望。

1 吸波材料的特点及分类

吸波材料一般由吸收剂和基体材料两部分组成。吸收剂主要提供吸波性能，基体材料起到黏连或作为吸收剂载体的作用。吸收剂是电磁波吸收材料的关键材料。目前，吸波材料主料分为涂覆型和结构型[15]。结构型吸波材料是指直接设计需要电磁防护的器件外壳，使其可以通过损耗达到减弱电磁波能量的一种材料，结构型吸波材料的成型工艺复杂，限制了其应用领域。涂覆型吸波材料是指用高效吸波剂作为填料，然后混合石蜡、树脂、橡胶等具有透波性的基体，直接涂覆在需要电磁防护的器件表面的一类材料。控制涂覆型吸波材料的性能可通过控制吸收剂的性能来实现，调节吸收剂的组分、微观形貌和涂层厚度可以调节涂层材料的吸波性能。因此，涂覆型吸波材料具备工艺简单、性能易于调节等优点，具有最广泛的应用。

2 铁磁金属基核壳结构复合材料的研究应用现状、制备方法及特点

2.1 铁磁金属基核壳结构复合材料的制备方法

目前常用的制备铁磁金属基核壳结构复合材料的方法包括水热法、原位聚合法、化学镀法、电弧法等。随着电磁波吸收材料的发展，研究学者们通过结合其他结构的制备方法与传统方法设计并制备了多种不同形貌的核壳结构铁磁金属基复合材料。

水热法[16]采用水溶液作为反应体系，在高温高压的环境下进行无机合成材料的有效方法，因其操作简单，分散性好，能通过简单的改变反应条件来控制包覆层厚度，目前被广泛应用。但是由于反应在密闭高温高压下进行，产生的废液、废气可能对环境和身体健康造成不良影响。原位聚合法[16]通常将磁性微粒超声分散在反应体系中，加入相应的活性剂，引发聚合，从而在磁性粒子表面形成包覆层，进而得到核壳结构复合材料。缺点在于实验周期长，步骤繁琐。化学镀法[17]是通过氧化还原反应将金属镀层沉积到基体表面的方法。通常化学镀法制备的核壳结构复合材料的镀层厚度均匀，电镀液分散性高。缺点在于易氧化，寿命短，稳定性差，需要特定的方式进行存储且镀覆速率慢。电弧法[18]实质上是一种自持放电现象，在一定条件下使正负极之间的气体空间导电，从而将金属阳离子在阳极的高温下蒸发，最终沉积在阴极的基体表面得到核壳结构复合材料。

2.2 铁磁金属基和核壳结构复合材料的特点

为了提高铁磁金属材料的性能，越来越多的研究团队将研究的重点放在了铁磁金属基复合材料的构建上。近年来的研究表明，Fe、Co、Ni及其合金和介电层（如SiO2、TiO2和碳材料）都可以有效地优化电磁特性，改善阻抗匹配，丰富损耗机制[19]。例如，将不同的电磁组分与SiO2材料组装成独特的核壳结构，即由核（内组分）和连续均匀的壳（外层组分）组成的同心双层纳米结构。如CHEN[20]等报道生物质制备的铁磁金属微球，Co微球在Ku波段表现出良好的电磁波吸收性能，其最小RL强度和EAB分别为 37.2 dB和 5.7 GHz，匹配厚度为2.0 mm。遗憾的是，当入射电磁波的频率超出 Ku波段时，这些复合微球的性能会大大降低。在铁磁金属球表面引入SiO2壳，不仅可以通过磁损耗机制获得预期效率，还可以建立核壳构型来增加界面协同效应，被认为是增强电磁性能的一种有效策略。CHEN[21]等基于溶液化学和氢热处理开发了铁磁金属/合金颗粒制备及处理的工艺方法，实现了 SiO2介电层与铁磁颗粒的复合，如图1所示。然而，Co颗粒的吸波性能并没有带来明显的改善，其最小RL强度和EAB分别只有 16.0 dB和 2.0 GHz（7.6~9.6 GHz）。CHEN[22]等进一步在Co7Fe3微球表面包覆了二氧化硅介电层，二氧化硅的存在对阻抗匹配和介电损耗做出了坚实的贡献，在一定程度上巩固了复合材料在S和C波段的吸收性能，如图2所示。

图1 不同包覆时间Co基铁磁金属@SiO2颗粒的SEM和TEM图

图2 Co7Fe3@TiO2纳米球的制备示意图及不同厚度下的反射损耗

CHEN[23]等研究了水热还原条件下Ni、Co复合SiO2壳层的评价，除了铁磁金属基复合材料的固有损耗特性外，核壳结构的形成赋予了复合颗粒新的性能。首先，核壳结构有利于铁磁金属材料与介电组分的充分接触，产生的充足非均质界面会通过强大的极化效应显著增加入射电磁波的能量消耗。其次，核壳结构可以进一步激发核壳之间的协同效应，有效优化阻抗特性，拓宽响应带宽[24]。第三，核壳结构为分别对核及壳进行更详细的微结构设计提供了机会。其中分层微结构的形成可以增强入射电磁波的多重反射和散射，从而增强吸收性能[25]。第四，核壳复合材料具有良好的化学均匀性，可以有效消除常规复合材料中的成分偏析，从而使其电磁参数稳定，而不是依赖于某些非科学参数（如搅拌时间、搅拌速度、分离方法）的随机性能[26]。第五，核壳复合材料通常具有良好的分散性，便于在实际应用中进一步加工。

3 结语与展望

虽然这些核壳铁磁金属基复合材料在电磁吸收方面取得了相当大的成就，但在性能和应用方面仍存在一些挑战。一是低频电磁吸收亟待提高。到目前为止，大多数复合材料在中高频范围（8.0~18.0 GHz），即使施加较小的吸波厚度也能产生良好的电磁吸收性能，而在低频范围（2.0~8.0 GHz）则不能保持良好的性能，除非吸波厚度累积到5.0 mm。这是由于介电损耗或者磁损耗不能满足低频的要求。因此，对其电磁性能进行合理的调控仍然是成分优化和微观设计的迫切要求。只有解决了这个问题，才有可能真正收获2.0~18.0 GHz全频率范围内宽带响应。其次，除电磁吸收性能外，环境耐受性也应受到重视，因为它与吸波材料在实际应用中的可用性和寿命密切相关。众所周知，吸波材料通常在室外环境中使用，可能涉及酸性/碱性、大湿度、高温、浓盐雾等环境，良好的环境耐受性将保证其在一些苛刻的室外条件下持久使用。铁磁金属颗粒是高性能吸波材料的典型候选材料，而腐蚀和氧化敏感性限制了其在复杂情况下的应用。从这一角度来看，构建稳定的介电复合材料，是铁磁金属颗粒很有吸引力的发展方向。目前吸波材料的设计和构建多基于研究者的经验，仅根据几个研究团队的结果很难总结出电磁吸收的宏观变化规律。如果能够建立一个包含电子能谱组成、微观结构和性能等信息的庞大数据库，通过计算机的综合分析和计算，就可以推断出理想电子能谱的预测结果，这将大大缩短探索高性能电子能谱的时间和成本。因此，在未来机器学习的概念有望在电磁吸收方面发挥关键作用。