International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2023年第30卷第3期

客座主编：吴广磊，吴宏景，贾梓睿

封面故事：随着信息技术和电子工业的快速发展，隐身战机、雷达隐身、电子对抗、微波通信等设备在军事防御中发挥着越来越重要的作用。因此，设计和开发可广泛应用于微波领域的具有高性能和环境适应性的新型电磁波（EMW）吸收材料已成为重大先进军事装备现代化和升级中急需解决的关键问题和重大战略挑战。此外，如何有效地解决日益增长的电磁污染一直是困扰电磁波吸收领域研究人员多年的一个重要问题。为此，我们推出了电磁波吸收材料专刊，重点关注用于EMW吸收的材料的设计、合成、结构工程和环境适用性方面的最新进展和成就。同时，基于实验研究和理论模拟，揭示了改善EMW吸收行为的策略和基本机制。本期专刊共收录了15篇论文，包括12篇原始研究论文和3篇综述论文。

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社论

编者按：《电磁波吸收材料专刊》

吴广磊, 吴宏景, 贾梓睿

2023, 30(3): 401-404. doi: 10.1007/s12613-022-2578-1

中文摘要(441) PDF(34) SpringerLink

摘要:
随着信息技术和电子工业的快速发展，隐身战机、雷达隐身、电子对抗、微波通信等设备在军事防御中发挥着越来越重要的作用。因此，设计和开发可广泛应用于微波领域的具有高性能和环境适应性的新型电磁波（EMW）吸收材料已成为重大先进军事装备现代化和升级中急需解决的关键问题和重大战略挑战。此外，如何有效地解决日益增长的电磁污染一直是困扰电磁波吸收领域研究人员多年的一个重要问题。为此，我们推出了电磁波吸收材料专刊，重点关注用于EMW吸收的材料的设计、合成、结构工程和环境适用性方面的最新进展和成就。同时，基于实验研究和理论模拟，揭示了改善EMW吸收行为的策略和基本机制。本期专刊共收录了15篇论文，包括12篇原始研究论文和3篇综述论文。

特约综述

MOF衍生电磁波吸收材料的设计原则：综述与展望

高振国, 杨锴, 赵泽昊, 兰笛, 周倩, 张教强, 吴宏景

2023, 30(3): 405-427. doi: 10.1007/s12613-022-2555-8

中文摘要(1475) PDF(137) SpringerLink

摘要:
目前，因为灵活的组分和结构操纵，金属-有机框架（MOF）衍生的纳微结构正被积极探索以增强介电和磁衰减并用于电磁波吸收。然而，MOF衍生微波吸收材料的基本设计原则尚未总结。本综述致力于从以下角度分析MOF衍生微波吸收材料的设计原理：不同的单体（MOF的配体和离子）、拓扑结构、化学状态和物理性质，还全面总结了有关电磁波吸收机制和结构–功能依赖性的衍生基本信息。最后，对这一前景广阔的领域中产业革命升级的挑战和前景提出了清晰的见解。

特约综述

过渡金属硫化物在电磁波吸收应用中的研究进展

张世杰, 李霁瀛, 靳笑天, 吴广磊

2023, 30(3): 428-445. doi: 10.1007/s12613-022-2546-9

中文摘要(1028) PDF(143) SpringerLink

摘要:
过渡金属硫化物（TMDs）由于其独特的结构和电学性质，在电磁波（EMW）吸收领域表现出巨大的优势。在过去的三年中，人们对基于过渡金属硫化物的电磁波吸收材料进行了大量的研究，但截至目前为止，此领域全面而系统的文献综述仍然较少。研究过渡金属硫化物基吸波材料的形貌结构、相、组分和电磁波吸收性能之间的相互联系具有重要意义。本综述致力于从以下角度分析研究过渡金属硫化物基电磁波吸收材料：TMDs的吸波特性调节策略以及基于TMDs的杂化电磁波吸收材料的最新进展。此外，本文还总结了这些代表性进展的电磁波吸收机理和组分-性能依赖关系。最后，对目前这一领域存在的问题及发展前景进行了探讨。

特约综述

综述：基于热解MOF衍生物的电磁波吸收剂

王秋怡, 刘杰, 李亚东, 娄志超, 李延军

2023, 30(3): 446-473. doi: 10.1007/s12613-022-2562-9

中文摘要(995) PDF(81) SpringerLink

摘要:
日益严重的电磁污染多年来一直困扰着电磁能量耗散领域的研究人员，有效地解决这一问题变得越来越重要。金属有机骨架(MOF)作为功能材料中的一颗璀璨之星，因其具有高度可调的孔隙率、结构和通用性等优点而备受关注。MOF衍生的电磁波(EMW)吸波材料具有重量轻、匹配厚度薄、容量大、有效带宽宽等优点，被广泛报道。然而，目前的研究缺乏基于热解MOF衍生物的电磁波吸收剂的系统总结。在这里，我们详细地描述了制备MOF衍生EMW吸波材料的电磁(EM)能量耗散机理和策略。在此基础上，提出了如下方法来调整MOF衍生物的电磁参数，以实现良好的电磁能量耗散：(1)改变金属和配体以调节前驱体的化学成分和形貌；(2)控制热解参数(包括温度、升温速度和气体气氛)以控制衍生物的结构和组分；(3)与增强相复合，包括碳纳米材料、金属或其他MOF。

研究论文

石墨化与孔隙率对ZIF-8衍生N掺杂多孔碳微波吸收特性的增强机制调控研究

周游, 王鸿鹏, 王丹, 杨仙凤, 邢宏娜, 冯娟, 宗妍, 朱秀红, 李兴华, 郑新亮

2023, 30(3): 474-484. doi: 10.1007/s12613-022-2499-z

中文摘要(1159) PDF(105) SpringerLink

摘要:
随着无线通信技术的普及，电磁污染等问题日益严重。因此，迫切需要开发高效的微波吸收剂来避免电磁污染。在众多微波吸收剂中，多孔碳基材料由于具有密度低、介电损耗高等优点得到了研究人员的青睐。然而，多孔碳基材料石墨化程度和多孔结构对介电常数的影响以及内在竞争机制目前尚不明确。本文旨在利用Zn的低沸点性质，在不同温度下对ZIF-8 (Zn)进行炭化，制备多孔N掺杂碳，并对其微波吸收性能进行研究。结果表明，多孔N掺杂碳继承了ZIF-8前驱体的高孔隙率。随着炭化温度的升高，Zn和N元素含量降低；石墨化程度提高；比表面积和孔隙率先增大后减小。当炭化温度为1000℃时，多孔N掺杂碳具有最优异的微波吸收性能。当厚度为1.29 mm时，最小反射损耗在16.95 GHz时达到了−50.57 dB，有效吸收带宽为4.17 GHz。微波吸收提高的机理是石墨化和孔隙率以及N掺杂剂的竞争，使其具有较高的介电损耗能力和良好的阻抗匹配。同时，多孔结构延长了微波与多孔碳的接触路径，提高了微波与多孔碳的接触面积，提高了界面极化和改善了材料的阻抗。此外，N掺杂能诱发电子极化和缺陷极化。这些结果为通过调节石墨化和孔隙率来制备轻量化碳基微波吸收剂提供了新的思路。

研究论文

In/C六边形纳米棒和石墨烯纳米片复合物的电磁波吸收性能研究

张饶, 牟从普, 王博翀, 向建勇, 翟坤, 薛天宇, 温福昇

2023, 30(3): 485-493. doi: 10.1007/s12613-022-2520-6

中文摘要(606) PDF(51) SpringerLink

摘要:
近年来，随着智能电子设备和高频无线通信技术的高速发展，电磁波辐射和污染问题受到越来越多的关注。如何消除电磁波辐射和污染已经成为当代研究的热点问题之一。电磁波吸收是解决电磁波辐射和污染的有效手段之一。金属有机骨架由于其密度低、机构新颖以及易制备等优点有利于电磁波吸收而被广泛地研究。在本文中，通过低温(450°C)热解金属铟有机骨架获得金属铟纳米颗粒/多孔碳(In/C)六边形纳米棒复合物。由于低的热解温度，使得In/C纳米棒电导率较低，从而导致对电磁波的介电损耗低。因此，为了提高In/C纳米棒的电导率，通过引入高电导率的石墨烯(graphene, Gr)纳米片来调节In/C纳米棒的电磁波吸收性能。研究结果表明，Gr纳米片的引入可以有效地改善In/C纳米棒的电磁参数，从而实现对电磁波的高效吸收。在1.30 mm厚度下，In/C-Gr-4复合材料对电磁波的最小反射损耗可以达到-43.7 dB。当厚度减小到1.14 mm时，In/C-Gr-4复合材料的最小反射损耗仍高达-39.3 dB，并且有效吸收带宽为3.7 GHz (从14.3到18.0 GHz)。因此，本工作表明In/C-Gr-4复合材料具有优异的电磁波吸收性能(即薄厚度下高的反射损耗和宽的有效吸收带宽)。

研究论文

通过物相和形貌演变提升多级结构CF@NiO/Ni复合材料的吸波性能

王士鹏, 刘子延, 刘强春, 汪保军, 魏威, 吴昊, 徐子捷, 李士阔, 黄方志, 张惠

2023, 30(3): 494-503. doi: 10.1007/s12613-022-2524-2

中文摘要(569) PDF(48) SpringerLink

摘要:
轻质和高效的碳基微波吸收剂在解决日益严重的电磁污染方面具有重要意义。为了解决单一碳纤维材料阻抗匹配差和损耗机制单一的缺点，本文采用水热法和退火处理方法，在碳纤维上原位制备了具有可调控物相和形貌的多级结构NiO/Ni纳米片阵列。结果表明，随着退火温度的增加，NiO/Ni体系中金属Ni的含量增加不仅增强了磁损耗同时也改善了阻抗匹配。另外，NiO/Ni纳米片呈现出明显的多孔结构。NiO/Ni、NiO/C、 Ni/C丰富的界面结构有助于极化损耗的增强。得益于三维导电网络、多级异质结构、强偶极子/界面极化、多重散射和良好的阻抗匹配等优点，最佳样品CF@NiO/Ni-500仅在3wt%填充量下，最小反射损耗达到-43.9 dB，有效的吸收带宽高达5.64 GHz。此外，雷达散射截面的仿真结果表明CF@NiO/Ni复合涂层能够有效抑制电磁波散射。本研究不仅丰富了碳纤维基吸波材料的结构设计与调控研究，也为碳基吸波材料的轻质宽频研究提供了新思路。

研究论文

原位制备核壳结构CoFe₂O₄@多孔碳球吸波性能研究

任良贵, 王益群, 张欣, 何秦川, 吴广磊

2023, 30(3): 504-514. doi: 10.1007/s12613-022-2509-1

中文摘要(691) PDF(59) SpringerLink

摘要:
CoFe₂O₄具有良好的化学稳定性和磁损耗，可用于制备具有独特结构的电磁波吸收复合材料。在本研究中，通过原位制备将CoFe₂O₄磁性粒子引入中空多孔碳中，制备了具有核壳结构的CoFe₂O₄@碳空心球。本文研究了微观组织与电磁波吸收性能的关系。研究结果表明：通过构建多孔结构并调整多孔碳和CoFe₂O₄的比例，可以有效地协调磁损耗和介电损耗。CoFe₂O₄@多孔碳复合材料的最小吸收在5.8 GHz时达到−29.7 dB。此外，有效吸收带宽为3.7 GHz在厚度为2.5 mm。复合材料的微波吸收性能的提升是由于在材料引入多孔核壳结构和CoFe₂O₄磁性粒子。多孔结构与核壳结构之间的协调有利于提高复合材料衰减系数，并实现良好的阻抗匹配。同时，多孔核–壳结构增强了电磁波在多次散射和反射；并提供了大的固体–空界面和CoFe₂O₄–碳界面来诱导界面极化，增强电磁波极化损耗。此外，CoFe₂O₄磁性粒子的引入增强了自然共振、交换共振和涡流损耗的磁损耗。

研究论文

原位生长NiCo双金属增强多孔秸秆衍生生物碳复合材料的微波吸收性能

周圆圆, 白中义, 杨向阳, 刘伟, 范冰冰, 严智楷, 郭晓琴

2023, 30(3): 515-524. doi: 10.1007/s12613-022-2496-2

中文摘要(513) PDF(43) SpringerLink

摘要:
目前，人们对电磁污染的保护意识逐渐增强，并且具有可再生性和环境友好性的吸收材料也引起人们的广泛关注。在这项工作中，通过高温碳化和水热反应的方法，我们成功制备了由秸秆衍生的生物碳与双金属NiCo组成的复合材料。通过改变镍钴合金的含量可以改变多孔生物碳/镍钴合金复合材料的电磁参数，改善其微波吸收性能。另外，其微波吸收性能的提高主要归功于电磁特性的协同效应，其中包括介电损耗（界面极化、偶极子极化）和磁损耗。值得注意的是，生物碳/NiCo复合材料的最小反射损耗值在2.2 mm厚度下可达−27.0 dB，对应的吸收带宽(RL≤−10 dB)可达4.4 GHz (11.7~16.1 GHz)。这些结果表明，多孔生物碳/镍钴复合材料具有密度低、重量轻、导电性好、吸收能力强、阻抗匹配良好等特点，因此，这种复合材料可以作为新一代的吸波材料。

研究论文

利用频率选择表面提高镀银生物多孔碳的微波吸收性能

刘毅, 秦静楠, 卢琳琳, 徐洁, 苏晓磊

2023, 30(3): 525-535. doi: 10.1007/s12613-022-2491-7

中文摘要(576) PDF(41) SpringerLink

摘要:
多孔碳（PC）因其重量轻、比表面积大、表面缺陷多等特点，成为一种具有应用前景的吸波材料，然而电导率和石墨化程度低的缺点限制了其性能的提高。本研究利用杉木作为生物碳模板，采用一步水热合成法制备了镀银多孔碳（Ag@PC）材料，并对其物相组成、显微结构和电磁吸波性能进行了研究。结果表明，金属银被成功地从溶液中还原出来，并以Ag颗粒的形式均匀分布在多孔碳表面和孔洞内部。金属Ag的存在不仅提高了多孔碳的电导率，同时促进了无定型碳的石墨化过程。乙烯吡咯烷酮（PVP）的加入抑制了晶体的结晶形核的过程，起到了细化Ag颗粒粒径的作用。然而，由于形成了更连续的导电网络，未添加PVP的Ag@PC复合材料表现出更高的介电常数和更强的电磁波耗散能力。将Ag@PC与频率选择表面（FSS）复合后，其吸波性能得到了进一步的提高，在频段8.20–11.75 GHz范围内材料的反射损耗值低于−10 dB，反射损耗最小值达到了−22.5 dB。由此可见，利用金属Ag颗粒与FSS相结合是增强多孔碳材料电磁波吸收能力的有效途径。

研究论文

具有疏水、隔热和微波吸收性能的多功能Mo₂C修饰的rGO气凝胶

王亚辉, 张明辉, 邓学松, 李志刚, 陈宗胜, 时家明, 韩喜江, 杜耘辰

2023, 30(3): 536-547. doi: 10.1007/s12613-022-2570-9

中文摘要(772) PDF(67) SpringerLink

摘要:
还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶因其丰富的导电网络和复杂的内部微观结构，以及与其他电磁衰减组分的良好兼容性，可以用作高效微波吸收材料，以缓解日益严重的电磁污染问题。然而，rGO气凝胶损耗单一，无法在自由空间中产生匹配良好的特性阻抗，使得电磁波难以在材料内部发生有效衰减。本文旨在开发一种具有多功能特性的Mo₂C修饰rGO气凝胶复合材料作为高效微波吸收材料。本文通过水热组装、冷冻干燥和高温热解过程，制备了Mo₂C纳米颗粒修饰的rGO气凝胶复合材料，研究了组成变化对复合材料形貌、结构和性能的影响。结果表明，当Mo₂C/rGO气凝胶质量填充为9%时，在7.3 GHz处最小反射损耗值可达到−63.3 dB，最大有效吸收带宽为5.1 GHz。优异吸波性能主要来自于Mo₂C纳米颗粒带来的衰减能力和阻抗匹配之间的良好平衡，尽管相对复介电常数随着Mo₂C负载的增加而逐渐减小导致介电损耗下降，但Mo₂C优化了电磁波入射界面处的阻抗匹配特性。引入Mo₂C纳米颗粒后，rGO气凝胶的疏水性和隔热性也得到了有效改善。本文中Mo₂C纳米颗粒对多功能特性的积极影响增强了Mo₂C/rGO气凝胶的环境适用性，使其成为多功能高性能微波吸收材料的候选材料。

研究论文

粉煤灰/NiFe₂O₄核壳填料/硅橡胶吸波复合材料的制备与性能

李秋影, 鲁屹恒, 邵卓妍

2023, 30(3): 548-558. doi: 10.1007/s12613-022-2517-1

中文摘要(709) PDF(48) SpringerLink

摘要:
首先以粉煤灰(FA)，Fe(NO₃)₃∙9H₂O和Ni(NO₃)₂∙6H₂O为原料，采用改性的溶胶-凝胶方法，制备了以FA为核，以NiFe₂O₄为壳的核壳填料。然后，以硅橡胶为基体，采用FA/NiFe₂O₄核壳填料对其填充改性，制备了硅橡胶吸波复合材料。X射线衍射、红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜结果表明，NiFe₂O₄成功包覆在FA表面，且包覆均匀致密。核壳填料显著改善了硅橡胶的吸波性能， 17.5 GHz 下，材料的最小反射损耗值为−23.8 dB，有效吸收带宽高达12 GHz，原因为多重损耗机理，即界面极化损耗、磁损耗和多重反射损耗。与未填充的硅橡胶相比，硅橡胶吸波复合材料的热稳定性、柔韧性、耐环境性和疏水性均有所提高。本工作对粉煤灰的回收再利用和硅橡胶吸波复合材料的制备提供了新的思路。

研究论文

新型球磨辅助化学沉淀–煅烧法制备电磁吸波性能优异的Co@CuFe₂O₄复合材料

冯兴, 殷鹏飞, 张利民, 孙希媛, 汪建, 赵良, 卢常芳, 高志华, 詹永欣

2023, 30(3): 559-569. doi: 10.1007/s12613-022-2488-2

中文摘要(750) PDF(44) SpringerLink

摘要:
为解决日益增长的电磁辐射危害，利用球磨辅助化学沉淀-煅烧法制备了较低材料厚度下具有优异阻抗匹配性质的Co@CuFe₂O₄吸波剂。由于扁平状Co片与大量CuFe₂O₄粒子充分接触，所制备复合材料具有很好的界面极化能力。除了片状Co能提供优异的涡流损耗以外，偶极极化、电荷跃迁与传导、结构散射等同样有助于复合材料宽频吸波的实现。材料厚度仅为1.8 mm时，最大微波吸收损耗在频率为12.93 GHz处可达到−35.56 dB，且最宽的有效吸波带宽可在材料厚度为1.72 mm时达到6.74 GHz。文中所报道的制备方法可作为性能优异的电磁吸波剂的研制提供一种新型途径。

研究论文

非晶态CNTs修饰PyC超轻宽频吸波材料

孔硌, 骆思翰, 张书瑜, 张桂芹, 梁怡

2023, 30(3): 570-580. doi: 10.1007/s12613-022-2476-6

中文摘要(618) PDF(51) SpringerLink

摘要:
对于吸波材料来说，特定频率下材料对电磁波的吸收值不断突破，但提高整个波段吸收性能仍是挑战。本文采用模板法合成了三维多孔热解碳(PyC)泡沫基体，在其表面原位生长非晶态碳纳米管(CNTs)，获得密度为22.0 mg·cm⁻³的超轻CNTs/PyC泡沫。原位生长的非晶CNTs在基体内部分布均匀，获得丰富的界面和适中的电导率，可满足阻抗匹配要求，并且通过调控催化生长时间增强了复合材料的界面极化和电导损耗。当电磁波进入CNTs/PyC泡沫材料的内部孔道时，界面极化损耗、电导损耗和多重反射机制可协同衰减电磁波能量。获得的CNTs/PyC泡沫对电磁波的最小反射率为−29.6 dB，在整个X波段的反射率均低于−13.3 dB。研究结果为X波段内超轻、宽频强吸波材料的研究提供了思路。

研究论文

具有中空多壳结构的BaTiO₃/TiO₂@聚吡咯复合材料的制备及其吸波性能研究

毛丹, 张振, 杨梅, 王祖民, 于然波, 王丹

2023, 30(3): 581-590. doi: 10.1007/s12613-022-2556-7

中文摘要(562) PDF(62) SpringerLink

摘要:
信息时代的迅速发展带来了不可忽视的电磁污染问题，吸波材料在电磁污染、信息安全等领域发挥着重要作用。理想的吸波材料应当具有涂层薄、吸收强、频带宽、机械性能好等优点。BaTiO₃属于传统的介电损耗型吸波材料，拥有较高的介电常数，然而吸收强度低、有效频带窄等缺陷限制了其发展应用。通过材料纳微结构的调整以及成分的复合对BaTiO₃进行改性处理，是提高材料吸波性能的有效方法。本文旨在开发一种吸收强度高、有效频带宽的BaTiO₃基复合吸波材料。以碳质微球为模板，采用次序模板法合成了中空多壳层结构（HoMS）的TiO₂微球，经原位水热将TiO₂转变为BaTiO₃，再通过吡咯蒸气聚合在BaTiO₃/TiO₂ HoMS壳层上包覆聚吡咯（PPy），成功制备了具有不同壳层数目的复合吸波材料。利用矢量网络分析仪对不同BaTiO₃基复合吸波材料的电磁参数进行测试，分析了不同复合结构对材料吸波性能的影响。研究结果表明，包覆了PPy的BaTiO₃基复合材料表现出更加优异的吸波性能。其中，三壳层BaTiO₃/TiO₂@PPy HoMSs的吸波性能最佳，有效吸收频宽达4.20 GHz，在13.34 GHz处反射损失最小，为−21.8 dB，吸波涂层的最佳匹配厚度仅为1.3 mm。中空多壳层结构不仅能够延长电磁波的传输路径，同时为不同损耗机制材料的复合提供了丰富的调控空间，实现了吸波性能的提高。

研究论文

回收利用煤气化残渣制备新型微Fe/C复合微波吸收材料

力国民, 薛晓洁, 毛璐涛, 王亚珂, 李凌霄, 王桂振, 张克维, 张荣, 王月祥, 梁丽萍

2023, 30(3): 591-599. doi: 10.1007/s12613-022-2534-0

中文摘要(540) PDF(49) SpringerLink

摘要:
在全球能源结构转型的背景下，煤气化技术展现出广阔应用前景，但其副产品煤气化残渣（CGR）仍未得到有效的回收利用。煤气化残渣含有丰富的碳成分，因此可以考虑作为碳基载体应用于微波吸收领域。在本研究中，通过浸渍Fe³⁺和还原反应制备了Fe/CGR复合微波吸收材料，并研究了磁性组分Fe的负载量对复合材料形貌和电磁性能的影响。此外，调整硝酸铁溶液的浓度，可以合理调控Fe/CGR复合材料的磁性成分负载量及其表面结构形貌。从扫描电镜照片可以看到Fe颗粒均匀地嵌入在CGR基体上，有效增加了复合材料的界面，进而增强了界面极化，进一步提高了复合材料的微波吸收性能。当Fe³⁺浓度为1.0 mol/L时，Fe/CGR复合材料表现出了优异的吸波性能，在涂覆厚度为2.5 mm时，最小反射损耗值可达−39.3 dB，当涂覆厚度为1.5 mm时对应的有效吸收带宽高达到4.1 GHz。本研究最终获得了兼具阻抗匹配和吸波性能的材料简易制备工艺与资源回收利用方法，所制备的Fe/CGR复合吸波材料不仅提升了CGR的回收率，而且也为微波吸收材料的合成开辟了一条新途径。