通过电爆炸法一步制备CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料，以实现高效的电磁波吸收

《Journal of Alloys and Compounds》：One-step preparation of CoFe nanoparticle/ nitrogen-doped graphite composites via electrical explosion for efficient electromagnetic wave absorption

本研究采用一 步电爆炸法制备了CoFe纳米颗粒/氮掺杂石墨复合材料，优化了质量分数和厚度，实现了反射损耗-56.47dB，有效吸收带宽3.52GHz，揭示了协同作用机制。

　　

魏玉鹏|张萌|马文辉|王新怡|刘乐乐|李银忠|周慧|王旭东|朱亮

兰州理工大学材料科学与工程学院，有色金属先进加工与回收国家重点实验室，中国兰州730050

摘要

基于石墨烯的复合材料因其优异的微波吸收性能而受到关注，但其制备过程相当复杂，并会产生大量对环境有害的有机废物。因此，开发简便的物理制备方法以及在碳基复合材料中使用低成本的石墨替代石墨烯用于微波吸收应用至关重要。本文采用一步电爆炸法成功合成了不同CoFe含量的CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料。在电爆炸过程中，石墨大部分转化为片状石墨，同时产生少量絮状纳米碳，Co₃Fe₇和Co纳米粒子分散在氮掺杂的石墨表面。含有5 wt.% CoFe粉末的复合材料在1.75 mm厚度时的最小反射损耗（RL_min）为-56.47 dB；在1.25 mm厚度时，有效吸收带宽（EAB）可达3.52 GHz（14.08-17.6 GHz）。含有5 wt.% CoFe粉末的CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料在0°散射角下的雷达截面积（RCS）降低值最大，达到35.10 dB m²。本研究为低成本电磁波吸收材料的设计提供了新的思路。

引言

电磁波（EMW）通信设备为日常生活带来了便利，但同时也不可避免地会产生电磁污染和电磁干扰[1],[2]。为了解决这些问题，高性能的电磁波吸收材料变得越来越重要[3],[4],[5]。近年来，基于石墨烯的复合材料因其低密度、大比表面积和良好的导电性而被广泛研究作为微波吸收材料。优化基于石墨烯的复合材料微波吸收性能的主要方法包括氮（N）掺杂以及将其与其他电磁材料结合。N掺杂不仅增加了缺陷和官能团的数目，还提高了导电性和电子迁移率[6]。N掺杂引入的缺陷和官能团可作为极化中心，产生极化松弛并增强介电损耗[7],[8]。Fu等人[8]通过水热法制备了具有三维多孔结构的LFO/N-rGO复合材料，由于其多孔结构和多种损耗机制，该复合材料的RL_min值达到了-64.5 dB。Su等人[9]合成了具有蛋黄壳结构的Fe₃C@NC/G复合材料，其中大量的缺陷和额外的界面使得RL_min值为-40.05 dB。值得注意的是，与石墨烯结合的磁性颗粒不仅能够优化复合材料的阻抗匹配，还能增强其磁损耗能力[10]。CoFe合金颗粒是一种具有优异磁性能、高居里温度和多重损耗能力的有前景的材料[11],[12],[13]。Yin等人[13]通过老化处理和热处理方法制备了CoFe/CoFe₂O₄/ZnO/rGO复合材料，由于Co₃Fe₇合金的加入，复合材料的磁损耗得到增强，RL_min值为-20.66 dB。在上述大多数基于石墨烯的复合材料制备方法中，首先制备出石墨烯，然后再进行复合处理或氮掺杂。然而，这些方法存在一定的局限性，如制备时间较长且会产生大量对环境有害的有机废物，因此开发简便的物理制备方法以及在碳基复合材料中使用低成本的石墨替代石墨烯对于制备高性能微波吸收材料非常重要。

电爆炸是一种一步制备石墨/石墨烯复合材料的有效方法[14],[15],[16],[17]。Li等人通过在含有石墨粉的管中电爆炸铜线，制备出了Cu/石墨烯纳米复合材料[16]，成功实现了片状石墨与球形铜纳米粒子的结合。在本研究中，通过一步物理电爆炸法成功制备了不同CoFe含量的CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料。在电爆炸过程中，CoFe粒子与石墨的结合以及氮掺杂同时进行，且不会产生大量对环境有害的有机废物。系统研究了CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨的形态、结构、电磁特性和微波吸收性能。利用CoFe纳米粒子的磁损耗与氮掺杂石墨的介电损耗之间的协同效应，这种复合材料获得了与基于石墨烯的复合材料相当的微波吸收性能。本研究为简便制备具有优异微波吸收性能的CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料提供了一种新方法。

样品制备

图1展示了CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料的制备过程示意图。混合粉末中Co与Fe的质量比为7:3，然后将CoFe混合粉末与10-15 μm的石墨粉末混合。混合粉末被压制成载体条，再放入图1(a)和(c)中的装载托盘的约束孔中。腔室被抽至200 Pa的真空度，随后充入氮气，然后进行电爆炸。

CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料的形态与结构

通过扫描电子显微镜（SEM）观察了CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料的形态。从图2(a)、2(e)、2(i)、2(m)和图S1(a)可以看出，电爆炸后的复合材料颗粒尺寸小于10 μm。图2(b)、2(f)、2(j)、2(n)和图S1显示，复合材料主要由片状石墨和少量絮状纳米碳组成。在电爆炸过程中，一些薄石墨片卷曲成了纳米碳颗粒。

结论

总结而言，通过一步电爆炸法制备出了CoFe纳米粒子/氮掺杂石墨复合材料。通过调节CoFe粉末的含量和氮掺杂程度，可以调整复合材料的电磁参数和微波吸收性能。复合材料中的Co₃Fe₇和Co纳米粒子分散在氮掺杂的石墨表面，这有助于调节介电常数、增加磁损耗并优化阻抗匹配。在10.88 GHz频率下，复合材料的最小反射损耗（RL_min）为-56.47 dB。

作者贡献声明

周慧：方法学研究、概念构思。王旭东：方法学研究、数据分析。朱亮：撰写 – 审稿与编辑。魏玉鹏：撰写 – 初稿撰写、方法学研究、数据分析。张萌：撰写 – 初稿撰写、方法学研究、数据管理。马文辉：撰写 – 初稿撰写、数据分析、形式分析。王新怡：撰写 – 初稿撰写、方法学研究、数据分析、形式分析。刘乐乐：方法学研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52262012）、甘肃省重点研发计划（25YFGA025）、甘肃省博士后计划（23JRRA762）、2023年甘肃省青年博士支持计划（2023QB-051）以及特殊稀有金属材料国家重点实验室（合同编号SKL2020K001）和西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司的支持。