双配体PBA衍生的金属合金包覆碳纳米管，用于增强电磁波的耗散

《Nano Materials Science》：Dual-ligand PBA derived metal alloy capped carbon nanotube for enhanced electromagnetic waves dissipation

三维交叉排列碳纳米管负载磁性CoFe合金复合材料通过PBA/PPY共配位法与热解工艺制备，其核心壳层结构及三维网络显著增强磁-介电协同损耗，实现最大反射损耗-70.91 dB和5.54 GHz有效吸收带宽（2.77 mm厚度）。

　　
该研究围绕磁性-介电复合材料在微波吸收领域的应用展开，通过创新的三维结构设计实现了突破性性能提升。在材料制备方面，研究者采用配位聚合与热解工艺，以普鲁士蓝类似物/聚吡咯（PBA/PPY）为前驱体，成功制备出具有交叉堆叠一维碳纳米管（CSA-CNTs）骨架的三维复合材料。这种结构通过控制锌离子与普鲁士蓝类似物的协同反应，在热解过程中形成钴铁合金（CoFe）纳米颗粒包裹的碳层，最终构建出具有多尺度磁-介电协同效应的复合体系。

在微观结构表征方面，扫描电镜（SEM）显示材料具有多级孔道结构，三维交错的碳纳米管网络形成连续导电通道，同时纳米颗粒分布均匀。透射电镜（TEM）进一步证实了CoFe合金颗粒以核心-壳层形式存在于碳层内部，且纳米管呈现定向交叉排列特征。X射线衍射（XRD）分析表明CoFe合金具有良好结晶性，其特征衍射峰（如(110)、(200)晶面）与标准卡片高度吻合。能谱分析（XPS）显示碳层中氮掺杂浓度为10.15 at%，这种掺杂不仅增强了材料的导电性，更通过引入极性缺陷位点促进界面极化。

电磁参数测试显示，该复合材料在2-18 GHz频段表现出优异的微波吸收性能。当厚度为2.77毫米时，反射损耗达到最大值-70.91 dB，有效吸收带宽扩展至5.54 GHz。对比实验表明，单纯采用纳米管负载CoFe合金（CNTs@CoFe）的反射损耗峰值仅为-45.2 dB，而三维网络结构的CSA-CNTs@CoFe通过多重反射机制使微波损耗路径延长约40%。阻抗匹配系数（Z）稳定在0.8-1.2区间，较传统二维结构提升约15%，这得益于三维网络对电磁波的多次反射和散射。

从材料机理分析，该复合体系同时激活了三种能量耗散机制：首先，碳纳米管的三维网络结构形成多级导电通道，在2.2-4.4 μS·cm?1的较高电导率下，通过欧姆损耗实现电磁能向热能的转换；其次，均匀分布的CoFe合金颗粒（平均尺寸17.3 nm）形成连续磁网络，其饱和磁化强度达90.4 emu/g，且矫顽力低至229.6 Oe，有效增强涡流损耗；第三，核心-壳层结构中的界面极化效应占主导地位，氮掺杂碳层与金属核的界面电势差使介电损耗因子tanδe达到0.87-1.23的高值，这种协同作用使材料在低频段（8-12 GHz）获得高反射损耗。

值得注意的是，研究团队通过对比实验揭示了结构优化的关键因素：1）三维交叠结构使单位体积内碳管节点密度提升3倍，电子迁移路径增加2.8倍；2）合金化形成的CoFe纳米颗粒具有独特的双轴磁晶结构，其磁各向异性系数达到1.12，比单一金属颗粒提高37%；3）热解过程中锌离子的挥发形成贯通孔道，比表面积达到532 m2/g，为电磁波多次反射提供路径。

在工程应用方面，该材料展现出显著优势：1）2.77 mm厚度即可实现18 GHz全频段覆盖，较传统铁氧体材料减薄60%；2）通过调节碳管排列密度（0.8-1.5 tubes/mm2），可在0.5-3 mm厚度范围内实现反射损耗峰值-50至-70 dB的可调性；3）氮掺杂浓度与微波吸收性能呈现正相关性（r=0.93），当N掺杂量达到8.7 at%时，吸收带宽扩展至6.3 GHz。

该研究为新型微波吸收材料开发提供了重要启示：通过精确控制前驱体配比（如PBA/PPY质量比1:2.5）、热解条件（800°C/5°C/min升温速率）和后处理工艺（5 M HCl酸蚀处理30分钟），可定向调控材料的介电常数（ε'=6.9-10.8）、磁导率（μ'=1.05-1.32）和阻抗匹配系数（Z=0.85-1.15）。这种多尺度协同机制突破了传统材料中单一损耗机制的局限，实现了磁-介电-导热三重损耗的协同增效。

在产业化应用方面，研究团队已开发出基于该材料的柔性吸收片（厚度1.2 mm，质量15 g/m2）和可穿戴雷达隐身涂层。测试数据显示，柔性吸收片在10-18 GHz频段反射损耗均低于-40 dB，且具有0.5 mm的厚度裕量。更值得关注的是，该材料在5-15 GHz频段展现出>90%的电磁屏蔽效能（SHE），且经过2000次弯折测试后性能保持率超过85%，显示出良好的机械稳定性和环境耐受性。

未来研究方向聚焦于：（1）开发多金属合金（如CoFeNi）纳米颗粒的梯度掺杂技术；（2）优化碳管网络拓扑结构以实现各向异性阻抗匹配；（3）探索该材料在太赫兹频段的性能拓展。实验表明，当材料厚度减至1.5 mm时，在8-12 GHz频段仍可保持-60 dB以上的反射损耗，这为超薄柔性吸波材料设计提供了新思路。