纳米花结构生物质衍生碳@CoNi核壳复合材料：兼具协同介电与磁损耗特性，实现宽带低频微波吸收

《Journal of Alloys and Compounds》：Nanoflower?Structured Biomass?Derived Carbon@CoNi Core–Shell Composites with Synergistic Dielectric–Magnetic Loss for Broadband Low?Frequency Microwave Absorption

生物质衍生碳负载CoNi合金纳米花复合材料通过多巴胺辅助自组装法制备，其核壳结构实现阻抗匹配优化，介电与磁损耗协同效应使1.97mm厚度下反射损耗达-65.3dB，有效吸收带宽覆盖3.8-6.3GHz和14.1-17.4GHz，精准匹配5G n79频段（4.4-5.0GHz），有效缓解电磁污染。

　　随着电子通信技术的迅速发展，特别是第五代（5G）通信技术的广泛应用，对高性能微波吸收材料的需求变得尤为迫切。这类材料能够有效缓解电磁污染问题，特别是在低频区域（如S波段：2-4 GHz和C波段：4-8 GHz）的应用显得尤为重要。本文介绍了一种基于生物质衍生碳（C）和钴镍（CoNi）合金的复合材料，其具有独特的核壳结构，形似纳米花。通过采用多巴胺辅助自组装方法，成功制备了这种材料，不仅提升了电磁波的吸收性能，还为5G通信系统提供了一种有效的解决方案。

### 一、研究背景与意义

电子信息技术的飞速进步极大地推动了相关产业的发展，包括5G通信技术、可穿戴设备等。这些技术的普及使得人类社会进入了高度信息化和互联化的时代，但同时也带来了电磁污染的严峻挑战。电磁污染不仅会对精密电子设备的正常运行造成干扰，还可能对人体健康产生潜在影响，如局部组织的过热等。因此，开发能够有效吸收和转化电磁波能量的材料，成为当前研究的重点。

在电磁污染的治理中，低频区域的电磁波吸收尤为关键。由于低频电磁波具有较长的波长，其穿透能力较强，容易对电子设备和人体造成影响。目前，主流的电磁污染治理策略是通过将电磁波能量转化为其他形式的能量（如热能）并加以耗散。微波吸收材料因其能够通过内在的介电和磁性损耗机制将电磁波转化为热能而受到广泛关注。其中，磁性材料因其高磁导率成为微波吸收材料的重要组成部分。

然而，传统磁性材料如铁氧体在低频区域的吸收效果往往不够理想，而金属磁性材料（如铁、钴、镍及其合金）则因其较高的磁性损耗而在低频吸收方面展现出更大的潜力。特别是在钴镍（CoNi）合金的应用中，研究发现其具有良好的磁性性能，如高饱和磁化率（Ms），这使得其在S波段和C波段的电磁波吸收中表现出色。然而，CoNi合金在电磁参数上的匹配性往往不足，导致其在实际应用中难以达到最佳吸收效果。

为了解决这一问题，许多研究尝试通过调整CoNi合金的微观结构，如控制颗粒尺寸和形态，或者将其与其他功能材料结合，形成复合材料，以优化其电磁波吸收性能。例如，有研究通过水热法合成了玫瑰状的CoNi，利用其优异的阻抗匹配和多重反射-吸收效应，在较薄的吸收厚度下实现了5.3 GHz的有效吸收带宽。此外，通过喷雾干燥-烧结工艺制备的链状和片状CoNi与氮化硼（BN）的异质结构复合材料，在4.4 mm的厚度下实现了-49.9 dB的最小反射损耗（RLmin）和2.40 GHz的有效吸收带宽（EAB），显著优于传统磁性材料如钴（Co）。

这些研究表明，通过精确控制材料的形态和组成，可以有效调控其在特定频段的电磁波吸收性能。这为开发具有优异低频吸收性能的材料提供了理论支持和技术路线。基于此，本文提出了一种新的研究思路，即通过设计具有特定结构的复合材料，将生物质衍生碳作为基体材料，将CoNi合金作为功能性组分，以实现更高效的电磁波吸收。

### 二、材料与方法

本研究中使用的原料为玉米根，这是一种常见的生物质材料，具有丰富的碳源和易于加工的特性。此外，还使用了镍硝酸盐（Ni(NO3)2·6H2O）、钴硝酸盐（Co(NO3)2·6H2O）、多巴胺和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等化学试剂。所有试剂均从中国上海的化学试剂公司购得，并经过严格的质量控制。

为了制备生物质衍生碳（BC），首先将玉米根在80 °C下干燥12小时，以去除其中的水分。随后，将干燥后的玉米根粉碎成粉末，并将其放入管式炉中进行高温碳化处理。在碳化过程中，多巴胺被用作形态调控剂，以引导碳材料形成特定的结构。同时，CoNi合金被引入到碳基体中，形成具有核壳结构的复合材料。

整个合成过程的关键在于多巴胺辅助自组装方法的应用。这种方法不仅能够有效控制材料的形态，还能增强其表面功能化程度，从而提升其在电磁波吸收方面的性能。通过精确调控碳化温度和多巴胺的浓度，可以实现对CoNi纳米花结构的优化，使其在电磁波的反射、吸收和耗散过程中发挥更好的作用。

### 三、实验结果与讨论

实验结果显示，经过碳化处理后的玉米根形成了具有碎片化但光滑的管状结构。而通过引入CoNi合金，C@CoNi复合材料在保持碳基体结构的基础上，表面形成了均匀的纳米花状CoNi结构。这种结构的形成不仅增加了材料的比表面积，还提供了更多的界面区域，从而促进了电磁波的多重反射和吸收。

通过对比实验，可以发现C@CoNi复合材料在低频区域的微波吸收性能显著优于未改性的碳材料。在1.97 mm的匹配厚度下，C@CoNi复合材料实现了最低反射损耗（RLmin）为-65.3 dB，有效吸收带宽（EAB）达到5.8 GHz，覆盖了3.8-6.3 GHz和14.1-17.4 GHz两个频段。这一性能指标在目前的研究中属于较高水平，尤其是在低频区域的吸收能力，为5G通信技术的应用提供了强有力的支持。

特别值得注意的是，C@CoNi复合材料的有效吸收带宽完全覆盖了5G通信中常用的n79频段（4.4-5.0 GHz）。这一特性使得该材料在5G通信设备的电磁干扰防护方面具有广阔的应用前景。同时，其优异的微波吸收性能也表明，这种材料在处理电磁污染方面具有重要的实用价值。

此外，研究还发现，C@CoNi复合材料的纳米花状结构在电磁波的传播过程中起到了关键作用。这种结构不仅延长了电磁波在材料内部的反射和耗散路径，还通过介电-磁性损耗的协同作用，实现了更高效的能量转化。这种结构设计使得材料在较低的厚度下就能表现出优异的微波吸收性能，为开发轻质、高效的电磁波吸收材料提供了新的思路。

### 四、结论与展望

综上所述，C@CoNi复合材料在低频区域的微波吸收性能表现出色，其最小反射损耗（RLmin）达到了-65.3 dB，有效吸收带宽（EAB）高达5.8 GHz，且完全覆盖了5G通信中常用的n79频段。这些优异的性能主要归功于其独特的纳米花状结构，以及介电-磁性损耗的协同作用。该结构不仅增强了材料的阻抗匹配能力，还提高了其对电磁波的反射和吸收效率。

本研究为开发高性能的微波吸收材料提供了一种新的策略，即通过合理的结构设计和耦合机制优化，实现对特定频段的高效吸收。这种材料不仅可以用于缓解电磁污染问题，还可以为5G通信技术的快速发展提供技术支持。未来的研究可以进一步探索C@CoNi复合材料在不同环境下的稳定性，以及其在实际应用中的性能表现。此外，还可以尝试将其与其他功能材料结合，以拓展其应用范围，如在雷达隐身、电磁屏蔽等领域。

总之，C@CoNi复合材料的开发为解决电磁污染问题和推动5G通信技术的发展提供了新的可能性。通过不断优化材料的结构和性能，有望在未来实现更广泛的应用，并为相关领域的发展做出更大贡献。