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无线通讯技术的迅猛发展使得各类高集成和高功率的电子设备的数量急剧增加，导致电磁干扰和电磁污染问题日益突出。电磁波吸收材料作为一种可以与电场或磁场分支相互作用的特性功能介质，在军事隐身和电磁兼容领域具有广泛的应用。其中碳基复合材料由于协同损耗机制以及可设计的组分和微观结构，一直被认为是高性能电磁波吸收材料的候选材料。近年来的研究进展表明，具有独特核壳结构的碳基复合材料的制备越来越受到人们的关注。核壳结构不仅有利于在不同电磁组分之间形成丰富的异质界面，从而引起极化效应以增强材料对电磁能量的消耗，而且更利于发挥核与壳之间的协同效应，从而有效优化材料整体的阻抗匹配特性，并拓宽电磁响应频带。此外，核壳结构对一些易腐蚀组分也能够提供了一定的积极保护，便于其在复杂的实际环境中应用。本文总结核壳碳基复合材料在电磁吸收领域的最新研究成果和存在的挑战，旨在为制备应用于电磁吸收领域的高性能核壳碳基复合材料提供新思路。
哈尔滨工业大学化工与化学学院杜耘辰教授课题组系统总结了核壳碳基复合材料在电磁波吸收领域的最新研究进展，并对它们现存的挑战和未来的研究方向进行了总结与展望。
首先，该综述较为全面地介绍了电磁吸收理论知识，主要包括内在电磁损耗机理、损耗强度、阻抗匹配、电磁吸收测试及性能评价方法。磁损耗和介电损耗是吸波材料衰减电磁波的主要路径。其中磁损耗主要包括磁滞损耗，涡流损耗，畴壁共振、自然共振和交换共振，而介电损耗主要由电导损耗和极化损耗决定。对电磁波的损耗强度主要通过介电损耗正切(tanδe)、磁损耗正切(tanδm)以及衰减常数(α)来衡量，它们的大小主要与复介电常数(εr=εr'-jεr")和复磁导率(μr=μr'-jμr")相关。理论上讲，它们的值越大表明材料对电磁波的损耗能力越强，然而，由于复介电常数变化远大于复磁导率，一味追求高的复介电常数和复磁导率往往也会导致吸波材料和自由空间之间的阻抗错配，也就是入射电磁波被过多的反射出去而不是被吸收，进而造成二次电磁干扰和辐射。因此设计吸波材料时应当同时考虑材料的衰减能力和阻抗匹配特性。当前对于电磁吸收的测试主要同轴法，波导法和弓形法，其中同轴法由于其测试时尺寸和用量较小以及宽的检测频带(L, S, C, X, and Ku bands)在实验室和理论研究中更为常用。反射损耗(RL)、有效吸收带宽(EAB)、厚度(d)和填充率是评价吸波材料性能最常见的四个指标，因为厚度薄、质量轻、吸收频带宽和反射损耗强已经成为下一代高性能吸波材料的核心设计理念。
随后，作者依据碳组分所在位置，系统讨论了含有内置碳核和外置碳壳的复合材料在电磁吸收领域的应用。作者首先以碳球、碳纤维、石墨烯和3D泡沫/气凝胶为主线，分别介绍了它们在电磁吸收领域的优势，并重点对以它们为内置碳核的核壳复合吸波材料的研究进展进行了梳理及分析，大量的研究表明组分优化和形貌设计策略对于增强它们的反射损耗强度，拓宽响应频带以及优化阻抗匹配特性具有重要作用。紧接着作者概述了通过不同制备方法（例如，纳米粒子嵌入、电弧放电、表面包覆、自发形成）获得的外置碳壳的核壳复合吸波材料的研究进展，并深入分析了这些方法制备碳壳的优点和缺点以及碳壳在一些极端环境(例如，强酸/碱、易腐蚀、高温等)中的应用潜力，这对于实际应用时设计高性能吸波材料具有重要的指导意义。此外，作者对于一些具有特殊结构的碳基核壳复合吸波材料（例如，碳碳复合，组装和修饰的碳基核壳复合材料）也进行了介绍。
最后，作者对核壳碳基复合材料在电磁波吸收领域现存的挑战和未来的研究方向进行了总结与展望。例如，如何增强低频区的电磁吸收性能，如何使吸波材料在极端环境中极端环境中具有良好的稳定性以及如何更深入的明确吸波材料对电磁波内在损耗机制等。
L. Gai, H. Zhao, F. Wang, et al. Advances in core–shell engineering of carbon-based composites for electromagnetic wave absorption. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4695-6.
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发表于 2019-8-21 16:54:43
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