一种轻质Fe3O4/碳泡沫复合材料，具有多种电磁损耗路径，能够高效吸收电磁波

《Synthetic Metals》：Lightweight Fe 3O 4/carbon foam composite with multiple electromagnetic loss paths for efficient electromagnetic wave absorption

电磁波吸收材料研究进展。通过混合发泡法制备Fe3O4/碳泡沫复合材料，实现反射损耗-52.10dB，有效吸收带宽5.89GHz，RCS减少值19.38dB·m2。Fe3O4纳米球嵌入孔隙及表面，低温碳化部分还原为金属Fe，增强介电磁损协同效应。

　　随着现代电子设备的广泛应用和通信技术的快速发展，电磁（EM）污染问题日益严重。这种污染不仅影响电子设备的正常运行，还可能对人类健康造成潜在威胁。因此，开发具有高性能、轻质、薄型、宽频和强吸收能力的电磁波吸收材料成为迫切需求。目前，研究人员已经探索了多种材料作为电磁波吸收的候选者，包括磁性金属、铁氧体、碳材料、半导体材料以及碳基材料。其中，碳基材料因其可调节的电导率和轻质特性，被认为更符合实际应用要求。

碳泡沫作为一种具有三维多孔结构的材料，其孔径和孔隙率都可以进行调控。这种独特的结构为入射电磁波提供了丰富的传播路径，从而促进广泛的多次反射和散射。为了进一步提升碳泡沫的电磁波吸收性能，通常会将磁性材料或介电材料嵌入其中。然而，这一过程面临诸多挑战，尤其是在磁性材料与碳基体之间的界面兼容性问题。由于磁性材料与碳基体之间存在较大的物理和化学差异，常常导致磁性粒子的聚集，从而需要较高的填料负载量，最终只能实现有限的电磁波吸收性能提升。

为了解决上述问题，研究人员提出对碳泡沫进行表面改性，以提高其与磁性材料之间的界面兼容性。常用的表面改性方法包括使用氢氧化钾（KOH）、聚多巴胺（PDA）或表面活性剂进行预处理，以改变碳泡沫的惰性表面，从而促进磁性材料的后续锚定。然而，这些改性方法往往需要复杂的操作流程，并可能对碳泡沫的结构造成一定的损伤。此外，改性物质通常仅限于孔隙表面，容易出现粘附性差和稳定性不足的问题，导致材料在使用过程中出现分层现象。

为了克服这些限制，一种新的混合发泡方法被提出，这种方法通过将磁性材料与碳前驱体均匀混合，再进行发泡和碳化处理，使磁性材料能够在孔壁和孔隙表面实现均匀分散。例如，通过将Co?O?/carbon foam复合材料在800℃下碳化，可以制备出Co/carbon foam复合材料，其电磁干扰屏蔽效果高达32.6 dB。而Fe?O?/carbon foam复合材料在不同温度下碳化时，会发生Fe?O?与碳之间的碳热还原反应，生成Fe和Fe?C等相。这些原位生成的相由于具有较高的电导率、强磁性和丰富的界面，从而提升了电磁波吸收性能。然而，这种方法也存在两个主要问题：磁性材料的过量添加可能破坏发泡过程；而过高的碳化温度可能导致显著的碳热还原，产生过高的电导率，反而促进电磁波的反射而非吸收。

为了解决这些问题，研究者采用了一种简便的混合发泡方法，通过将Fe?O?纳米球嵌入碳泡沫内部并附着于其表面，从而制备出Fe?O?/carbon foam复合材料。随后，在相对较低的温度下进行碳化处理，使得Fe?O?部分还原为金属Fe，从而提升了复合材料的电导率和界面极化能力。实验结果显示，仅需添加2 wt%的Fe?O?纳米球，该复合材料就能在匹配厚度1.59 mm时实现最低反射损失-52.10 dB，并在1.73 mm厚度下达到5.89 GHz的有效吸收带宽。这一优异的电磁波吸收性能归因于介电-磁性损耗的协同效应以及异质界面的增强作用。

此外，通过CST仿真结果，该Fe?O?/carbon foam复合材料在20°角度下实现了19.38 dB·m2的雷达散射截面（RCS）减少值，显示出其在实际应用中的巨大潜力。该研究还展示了如何通过可调节的组成和结构设计，实现介电和磁性损耗的协同作用，从而提升电磁波吸收效率。这种材料不仅具备优异的电磁波吸收性能，还具有轻质特性，使其成为先进电磁波吸收材料的有力候选者。

在材料制备方面，研究者使用了煤焦油沥青作为中相沥青的前驱体，这种材料由美国Koppers Carbon & Chemical Co., Ltd.提供。FeCl?·6H?O、CH?COONa、聚乙二醇和甘醇则由Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.供应。中相沥青和纳米Fe?O?纳米球粉末的制备过程详见支持信息部分。Fe?O?/carbon foam复合材料的制备过程如图1a所示，通过混合发泡方法实现了Fe?O?纳米球在碳泡沫内部和表面的嵌入。

通过扫描电子显微镜（SEM）图像，研究者对所制备的复合材料的形态和微观结构进行了详细分析。从图1b1-e1可以看出，所有样品中都均匀分布着大量微米级的细胞孔隙。同时，从图1b2-e2也可以观察到，细胞孔隙的表面存在开放的孔窗。这种多孔结构的连通性在尺度上与入射电磁波的波长相当或更大，这对于促进多次反射和散射至关重要。通过调节Fe?O?纳米球的含量，研究者能够实现Fe?O?/carbon foam复合材料的最优电磁波吸收性能。

该研究的成果表明，通过合理设计和优化材料的组成与结构，可以有效提升电磁波吸收材料的性能。Fe?O?/carbon foam复合材料的制备不仅解决了传统方法中磁性材料与碳基体之间的界面兼容性问题，还实现了低填料负载下的高效吸收性能。这种材料的轻质特性使其在实际应用中更具优势，特别是在需要减少材料重量和厚度的场景下，如雷达隐身技术、无线通信设备的电磁干扰屏蔽以及电子设备的电磁兼容性设计等方面。

此外，该研究还为未来的电磁波吸收材料研究提供了新的思路和方法。通过混合发泡技术，研究人员能够实现磁性材料与碳基体的均匀分散，从而避免磁性粒子的聚集问题。同时，通过调控碳化温度，可以控制Fe?O?的还原程度，使得材料在保持高吸收性能的同时，避免过高的电导率带来的反射效应。这些发现不仅有助于提高现有电磁波吸收材料的性能，也为开发新型高性能电磁波吸收材料奠定了基础。

总之，该研究通过简便的混合发泡方法，成功制备出一种轻质的Fe?O?/carbon foam复合材料，其在电磁波吸收方面表现出优异的性能。通过添加少量Fe?O?纳米球，研究者实现了材料的高效吸收，并通过调控材料的组成和结构，进一步优化了其性能。这些成果为解决电磁污染问题提供了新的解决方案，同时也为未来电磁波吸收材料的研究和发展提供了重要的参考价值。