成都理工大学连发4篇！高效电磁波吸收材料领域获重要进展

面对人工智能和信息技术的大背景，电磁波(EMW)的应用在无线通信和检测领域占据了压倒性的主导地位，使人类文明得到了显著的发展。同时，EMW产生的污染或危害已成为信息加密、人体健康和国防安全等领域亟待解决的问题。因此，迫切需要宽带微波吸收材料来应对日益严重的电磁辐射。碳化硅(SiC)由于其良好的物理化学稳定性、结构可调性、重量轻以及优异的介电性能，被广泛认为是高性能EMW吸收剂的潜在新星。然而，吸波剂在不同微波频率下耗散EMW所需的介电常数是不同的。单组分SiC缺乏多重损耗机制以及SiC固有的介电常数使得其电导率较低，难以在单组分SiC中实现宽的有效吸收带宽(EAB)。此外，材料的特殊结构也是提高EMW性能的关键因素。如何合理调整SiC基复合材料的组分及特殊结构用以实现高效EMW吸收仍然是一个巨大的挑战。

基于此，成都理工大学何秦川和王益群团队提出了多形貌SiC基复合材料的制备策略，并研究了协同多组分调控及微观结构的设计对EMW吸收性能的影响。取得的相关成果发表在众多国际权威期刊上。

1. Ceramics International 49 (2023) 21335-21345

在发表于Ceramics International题为“Hollow porous Ni@SiC nanospheres for enhancing electromagnetic wave absorption”的相关论文中，通过碳热还原制备策略和后续化学镀工艺的结合，成功构建了空心多孔Ni@SiC纳米球(HPNS)。非均质介质/磁性多组分通过形成多极化、介质损耗和磁损耗效应，有利于优异的EMW吸收性能。特别地，当填充率为20 wt%时，HPNS在13.28 GHz处的最小反射损耗(RLmin)值为-62.39 dB，最大有效吸收带宽(EABmax)可达5.36 GHz (12.64 ~ 18 GHz)，对应的薄匹配厚度分别为1.96 mm和1.80 mm。

HPNS良好的EMW衰减机制源于以下几点：首先，大量HPNS相互连接在一起，这有助于在颗粒之间构建电子传导和导电网络，改善样品的导电损耗。其次，通过化学镀引入的Ni镀层使HPNS-2在2-18 GHz的范围内具有卓越的磁损耗，包括自然共振、交换共振和少量涡流效应。第三，石蜡基质、中空多孔SiC球和Ni层的形成大量的异质界面。由于电负性的差异，大多数结合电荷集中在高频电磁场，并充当偶极子以引起界面极化。第四，当束缚电荷充分累积，它将形成弱电流释放并导致导电性损失。最后，SiC中的许多结构缺陷可以被认为是偶极的极化中心，产生偶极极化并消耗EMW。

第一作者：许丙坤；

通信作者：何秦川，王益群

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.262

Fig. 1. (a) Fabrication process for the HPNS; (b) XRD patterns of the S0-S4; Typical XPS spectra of S2: (c) Survey spectra; (d) Si 2p spectra; (e) Ni 2p spectra. Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore diameter (inset) of S0-S4 (f-j).

Fig. 2. (a) A schematic diagram of structural evolution. SEM images of S1-S4 (b-e). TEM images (f, g) of S2, (h) Element mappings (EDX analysis) of S2.

Fig. 3. (a) CST simulation results of S1-S4 at 13.28 GHz. (b) Bistatic RCS simulated plots of pure PEC and (S1-S4) + PEC, where the value of φ was fixed at 0°. (c) Mean RCS values of pure PEC and (S1-S4) + PEC when θ stepped from -60° to 60°. RSC values from -180° to 180° of S1-S4 (d-g).

2. Carbon 118470

在发表于Carbon题为“Novel accordion-like structure of SiC/C composites for enhanced electromagnetic wave absorption”的相关论文中，通过微波辅助法和碳热还原制备策略首次合成了新颖的二维手风琴状SiC/C复合材料。

目前，二维复合材料由于其结构的可设计性和介电常数的可调性，已被认为是探索高效电磁波吸收剂的新星。然而，如何解决二维微结构吸收剂的高填充率和层与层之间易堆积的问题仍然是难点和痛点。受膨胀石墨层间距可调的启发，合理提出采用微波辅助法和碳热还原策略制备独特新颖的二维手风琴状SiC/C复合材料。通过调节碳热还原温度来实现微观结构的调整和多组分的调控。结果证实了二维手风琴状SiC/C复合材料中存在大量非均匀界面、增强的偶极极化、独特的二维手风琴结构赋予载流子更多的路径以改善导电损耗，以及多孔结构优化的阻抗匹配协同作用，使其具有优越的EMW吸收性能。二维手风琴状SiC/C-2在8.72 GHz处的反射损耗最小，为-54.52 dB，填充率仅为3 wt%，有效吸收范围覆盖11.40 GHz (7.60-18 GHz)，总厚度为1.20 mm (1.23-2.43 mm)，占整个频率范围的71.25 %。

第一作者：许丙坤

通信作者：何秦川，王益群

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118470

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the preparation of 2D accordion-like SiC/C composites. XRD (b) and Raman (c) spectra of S-1, S-2, S-3, and S-4.

Fig. 2. Low-magnification (a-d) and high-magnification (a1-d1) SEM images of S-1, S-2, S-3, and S-4. (e) Schematic illustration of the morphological evolution of 2D accordion-like SiC/C composites. The element mapping of C, Si, and O for the S-2 (f-f4).

Fig. 3. TEM (a-c) images and HRTEM image (d) of S-3. (e) SAED pattern. Elemental mapping of S-3 (f-f4). N2 adsorption–desorption curves and pore diameter of S-1 (g), S-2 (g1), S-3 (g2), and S-4 (g3).

Fig. 4. Frequency-dependent (a) ε′, (b) ε′′, and (c) tanδε, (d-g) Cole-Cole plots, (h) impedance matching curves at 2.43 mm. (i) attenuation constant.

Fig. 5. EMW absorption properties of S-1 (a), S-2 (b), S-3 (c), and S4 (d) at different thicknesses. The 3D and 2D images of RL curves for S-1 (a1, a2), S-2 (b1, b2), S-3 (c1, c2),and S-4 (d1, d2).

Fig. 6. (a) Schematic diagram of stealth coating to reduce radar imaging. Three-dimensional simulation model of S-1 (b1), S-2 (b2), S-3 (b3), and S-4 (b4) at 8.72 GHz. (c) RCS values for S-1 to S-4 at different detection angles. (d) RCS values of S-2 at different frequencies. (e) Schematic diagram of RCS modeling in vertical polarization mode. (f) Average RCS values of PEC and (S-1 to S-4) + PEC at θ from -60°to 60°. (g) Average RCS values of S-2 + PEC at different frequencies.

Fig. 7. Schematic representation of the EMW-absorbing mechanism of S-2.

3. Applied Surface Science 636 (2023) 157839

在发表于Applied Surface Science题为“Construction of magnetic nanoparticle channels in SiC/SiO2 composite foam toward efficient electromagnetic wave absorption”的相关论文中，通过介电-磁损耗协同作用与合理的微结构结构相结合，有利于满足吸波器厚度薄、吸收强、带宽宽的要求。本研究提出了在SiC/SiO2复合泡沫内构建磁性纳米镍通道的新策略，用于合成Ni/SiC/SiO2多孔复合材料(NSPC)。磁性镍纳米颗粒通道保留了SiC/SiO2复合泡沫内部孔隙结构，可以优化阻抗匹配，满足介电-磁损耗协同效应。

结果证实，NSPC中存在多个非均相界面，磁性颗粒带来的磁性和导电性损失以及独特的泡沫多孔结构协同作用使其具有极其优异的电磁波吸收性能。NSPC可以获得-64.86 dB (1.46 mm)的超强反射损耗，有效吸收范围覆盖13.20 GHz (4.80-18 GHz)，总厚度为1.79 mm (1.21-3 mm)，占整个频率范围的82.5 %。此外，RCS仿真模拟证实，NSPC在真实环境中可以消耗更多的电磁波。总之，这项工作为开发具有合理微观结构的材料，同时实现薄厚度、强吸收和宽带吸收提供了新的参考。

第一作者：许丙坤

通信作者：何秦川，王益群

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157839

Fig. 1. (a) The synthesis process for Ni/SiC/SiO2porous composites. (b) XRD patterns of the S0-S4. XPS spectra of S3: (c) wide scan, (d) C 1s, (e) Ni 2p, (f) Si 2p, (g) O 1s.

Fig. 2. Low-magnification (a-d) and high-magnification (a1-d1) SEM images of S1-S4. The element mapping of C, Si, O, and Ni for the S3 (e-i). Schematic diagram of the morphological evolution of NSPC (j).

Fig. 3. The relative complex permittivity (a) ε′, (b) ε′′, and (c) tanδε. The relative complex permeability (d) μ′, (e) μ′′, and (f) tanδμ. (g) Frequency dependences of C0. Attenuation constants (α) (h) and impedance matching curves at a thickness of 1.46 mm for S0-S4 (i).

Fig.4. Schematic of the EMW absorption mechanisms of the S3.

4. Ceramics International 49 (2023) 30125-30136

在发表于Ceramics International题为“Ultralight and efficient microwave absorption of SiC/SiO2 ceramic aerogels derived from biomass”的相关论文中，采用一步法成功合成了超轻分层多孔SiC/SiO2气凝胶(HPSA)。通过调节硅源的加入量，可以控制原位反应生成的SiC/SiO2纤维的组成和数量。

结果表明，HPSA的组成和纤维的数量对EMW的吸收性能有显著影响。当硅源浓度为0.7 mol/L时，HPSA具有优异的EMW吸收性能，在6.00 GHz处的RLmin为-55.01 dB，EABmax为6.16 GHz。高度互连的多孔SiC/SiO2骨架结构显著促进了EMW的多重反射吸收效应，并为电子传导损失提供了可行的途径。原位反应生成的SiC/SiO2纤维具有大量的层错和异质结，进一步促进了EMW的耗散。此外，与PEC导电层相比，远场条件下HPSA的最大雷达横截面减小到20.21 dB m2，这意味着雷达探测的概率要低得多。总之，本工作为高效EMW吸收材料和电磁隐身材料的应用提供了参考。

第一作者：许丙坤

通信作者：何秦川，王益群

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.06.268

Fig. 1. Schematic diagram of the hierarchically porous SiC/SiO2 aerogels synthesis strategy.

Fig. 2. Low-magnification (a-d) and high-magnification (a1-d1) SEM images of HPSA-1, HPSA-2, HPSA-3, and HPSA-4. Schematic diagram of the morphological evolution of HPSA (e). The element mapping of Si, C, and O for the HPSA-2 (f-f4).

Fig. 3. TEM images of (a-d) porous skeleton combine with fibers, (a1-d1) fibers, and HRTEM images (a2-d2) in HPSA-1, HPSA-2, HPSA-3, and HPSA-4. EDX mapping images of C, O, Si of HPSA-2 in situ grown fibers and their overlapped image (e-h).

Fig. 4. The dependence of (a) real permittivity (ε′), (b) imaginary permittivity (ε″), and (c) dielectric loss tangent on frequency. Cole-Cole curves of (d) HPSA-1, (e) HPSA-2, (f) HPSA-3, and (g) HPSA-4. Impedance matching curves (h) at a thickness of 3.32 mm, and attenuation constant (i) of HPSA-1 to HPSA-4.

Fig. 5. 2D images of RL of HPSA-1, HPSA-2, HPSA-3, and HPSA-4 (a-d), RL of HPSA-1 (e), HPSA-2 (f), HPSA-3 (g), and HPSA-4 (h) at different thickness. (i) Comparison of EMW absorption characteristics of HPSA in this work

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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