纳米结构CoFe?O?@ZnO@C核壳复合材料中电磁波吸收能力的提升：合成与表征

《Synthetic Metals》：Enhanced electromagnetic wave absorption in nanostructured CoFe?O?@ZnO@C core-shell composites: Synthesis and characterization

本研究开发了一种新型三核壳纳米结构CoFe?O?@ZnO@C，通过共沉淀、水热法和热解合成。该材料在0.5 mm厚度下实现8.2-12.4 GHz频段内97%的电磁波吸收效率，反射损耗达-20 dB。其性能源于磁损耗（CoFe?O?核心）、介电损耗（ZnO中间层）和导电损耗（碳外壳）的协同效应，以及结构优化提升阻抗匹配。

　　在当今科技快速发展的背景下，电磁波（EM）的广泛应用使得其潜在的危害成为人们关注的焦点。为了应对这一问题，研究者们致力于开发高性能的电磁波吸收材料，以满足诸如抗干扰涂层、伪装技术和生物防护等领域的应用需求。本研究提出了一种创新的三元核壳纳米结构，即CoFe?O?@ZnO@C，通过结合共沉淀法、水热法和热解法等多步合成工艺实现。该材料通过调控磁性（CoFe?O?）和介电（ZnO/C）损耗机制、粒子尺寸及结构，从而优化其电磁波吸收性能。研究结果显示，以0.5毫米厚度的样品在8.2–12.4 GHz的宽频带范围内表现出卓越的电磁波吸收能力，波能吸收率达97%，反射损耗（RL）达到了–20 dB。这种优异的性能主要归因于在0.5毫米厚度下实现的最优阻抗匹配，以及碳增强介电损耗和钴铁氧体驱动磁性损耗之间的协同效应。本研究为设计轻质、高效电磁波吸收材料提供了一种有前景的策略。

电磁波在现代电子系统中的应用日益广泛，包括移动电话、局域网和雷达系统等。然而，这种广泛使用也带来了显著的电磁干扰（EMI）问题，尤其是在微波（MW）频段。EMI污染不仅会干扰电子设备的正常运行，还可能对人类健康构成威胁。因此，对高效微波吸收材料的需求日益增长。这些材料不仅用于隐身技术，还在高层建筑电视信号干扰的缓解和微波暗室中发挥重要作用。微波频段的X波段（8.2–12.4 GHz）在民用和军事应用中都至关重要，因此，开发具有高吸收效率、宽频带和轻质特性的电磁波吸收材料成为一项重大挑战。

钴铁氧体（CoFe?O?）作为一种硬磁陶瓷材料，以其高矫顽力（Hc）和适中的饱和磁化（Ms）而著称。其出色的物理和化学稳定性使其不仅适用于电磁波吸收，还在磁记录技术中具有重要应用价值，如音频/视频磁带和高密度数字记录盘。随着对细颗粒和定制化性质的高需求，研究人员开发了多种化学合成方法，如溶胶-凝胶法、机械合金化和沉淀法，以生产具有化学纯度和计量比的钴铁氧体纳米颗粒。尽管钴铁氧体具有优良的磁性损耗特性，但其在实际应用中往往受到阻抗匹配不足、吸收频段较窄和密度较高的限制。为了解决这些问题，研究者们探索了将钴铁氧体与碳基材料结合形成核壳结构的策略，这种结构结合了钴铁氧体的磁性损耗特性与碳的低密度和导电性，从而提升了介电损耗和阻抗匹配，显著增强了电磁波吸收性能。例如，一些研究报道了通过使用金属有机框架（MOF）材料实现宽带电磁波吸收，其最小反射损耗（RLmin）达到–22.89 dB，并在16.2 GHz下实现了5.64 GHz的有效吸收频段。其他研究则通过将钴铁氧体与石墨烯等材料结合，实现了更宽的吸收频段和更小的密度。

为了进一步提高微波吸收性能，本研究引入了氧化锌（ZnO）和碳，与钴铁氧体结合，形成一种兼具磁性和介电特性的复合材料。在本研究中，通过多步骤合成方法，成功制备了CoFe?O?@ZnO@C三元核壳纳米结构。这种结构由三个功能组件组成：无定形碳外层（导电性）、氧化锌内层（介电性）和钴铁氧体核心（磁性）。每种组件都提供了互补的特性——导电性、介电行为和磁性，从而提高了电磁波吸收效率。通过这种结构设计，材料能够形成多种能量耗散路径，有效增强电磁波的衰减效果。

实验中使用了多种化学试剂，包括钴氯化物、铁（III）氯化物、氢氧化钠、葡萄糖、醋酸锌、异丙醇和石蜡。这些试剂在实验中扮演了重要角色，确保了纳米结构的稳定性和可加工性。钴铁氧体纳米颗粒的制备是通过将钴和铁的盐溶液在碱性条件下进行共沉淀反应，随后在高温下进行煅烧，以形成结晶性的钴铁氧体纳米颗粒。随后，通过将钴铁氧体纳米颗粒与氧化锌结合，形成了二元核壳结构。最后，通过在氧化锌壳层上引入碳层，实现了三元核壳结构的合成。这一过程通过水热处理完成，碳层的引入不仅增强了介电损耗，还通过其导电特性改善了阻抗匹配。

实验中还采用了多种表征技术，以验证合成材料的结构和性能。X射线衍射（XRD）用于分析合成材料的晶体结构，结果显示了钴铁氧体和氧化锌的成功合成。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察材料的形态和结构，揭示了核壳结构的形成过程。能量色散X射线光谱（EDX）进一步验证了材料中各元素的分布情况，确保了结构的完整性。拉曼光谱分析显示了碳层的无定形特性及其在介电损耗中的作用。此外，通过BET分析评估了材料的孔隙结构，结果表明其具有较高的比表面积和多孔结构，这有助于增强介电损耗和阻抗匹配。

实验结果显示，随着厚度的增加，钴铁氧体纳米颗粒的磁性特性发生了显著变化。饱和磁化（Ms）值从50 emu/g下降到26 emu/g，而矫顽力（Hc）也从1100 Oe降至430 Oe。这种变化主要归因于非磁性壳层（氧化锌和碳）的引入，它们通过稀释效应降低了磁性材料的磁性表现。此外，磁滞回线分析进一步确认了这些变化，表明随着壳层的增加，磁性材料的磁性行为受到显著影响。

在电磁波吸收性能方面，实验中制备了不同厚度（0.5 mm、1 mm、2 mm和3 mm）的石蜡基复合材料，并测试了其在X波段的吸收性能。结果显示，0.5 mm厚度的样品在8.2–12.4 GHz范围内表现出最佳的吸收性能，其最小反射损耗（RLmin）达到–20 dB。相比之下，其他厚度的样品虽然在特定频率范围内表现出良好的吸收能力，但其吸收频段较窄，且吸收效率较低。这种现象表明，厚度在电磁波吸收性能中起到了关键作用，0.5 mm的样品通过优化阻抗匹配和材料的多层结构，实现了更广泛的吸收频段和更高的吸收效率。

此外，实验中还分析了不同厚度样品的介电损耗和磁性损耗特性。介电损耗（ε''）与厚度变化关系不大，这表明介电损耗机制主要由材料的内部结构决定。而磁性损耗（μ''）则随着厚度的增加而有所下降，这可能是由于非磁性壳层的引入导致磁性材料的磁性表现被稀释。然而，0.5 mm厚度的样品在磁性损耗方面表现最佳，这与其较高的磁性损耗率（tan δm）有关。这种磁性损耗率的提升可能是由于更小的厚度促进了磁性材料与周围环境的更紧密接触，从而增强了其与电磁波的相互作用。

综合来看，CoFe?O?@ZnO@C三元核壳纳米结构在电磁波吸收方面表现出卓越的性能。其独特的结构设计使得材料能够在不同厚度下实现有效的能量耗散，特别是在0.5 mm厚度下，通过优化阻抗匹配和多层结构的协同作用，实现了广泛的吸收频段和较高的吸收效率。这种材料不仅具有轻质特性，还表现出优异的环境稳定性，使其在实际应用中具有显著优势。此外，其结构设计还促进了多级能量耗散路径的形成，从而显著提高了电磁波的衰减效果。这些特性使得CoFe?O?@ZnO@C成为一种具有广泛应用前景的电磁波吸收材料，尤其适用于需要高效、宽带电磁波吸收的领域，如电磁干扰屏蔽和宽带微波吸收。