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用于电磁波宽频吸收的1D/2D亚纳米基元复合气凝胶材料的制备

白宝强 ,  张涛 ,  陈佳 ,  付蕊 ,  赛华征

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (11) : 102 -106.

PDF (6275KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (11) : 102-106. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.11.018
科研与开发

用于电磁波宽频吸收的1D/2D亚纳米基元复合气凝胶材料的制备

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Fabrication of 1D/2D sub-nanometer unit composite aerogel materials for broadband electromagnetic wave absorption

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摘要

为解决电磁波污染问题,以1D GdOOH亚纳米线与2D CuO-PMA亚纳米片为前驱体,按不同质量比(1∶1、2∶1和 3∶1)进行机械混合,并结合冷冻铸造、真空干燥及后续热处理工艺,成功制备出1D/2D复合亚纳米片气凝胶。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及矢量网络分析仪等手段,系统表征了材料的微观结构与电磁波吸收性能。结果表明,所得气凝胶呈现典型的蜂窝状多孔结构,经热处理后密度为90 mg/cm3。在电磁波吸收性能方面,该材料最小反射损耗可达-68.1 dB,最大有效吸收带宽为8.4 GHz。本研究为开发具备“薄、轻、宽、强”特性的微波吸收材料提供了可行的材料设计思路与制备途径。

Abstract

To address the issue of electromagnetic wave pollution,this study utilized 1D GdOOH sub-nanowires and 2D CuO-PMA sub-nanosheets as precursors.These were mechanically mixed at different mass ratios (1∶1,2∶1,and 3∶1) and processed through freeze-casting,vacuum drying,and subsequent heat treatment to successfully fabricate 1D/2D composite sub-nanosheet aerogels.The microstructure and electromagnetic wave absorption properties of the materials were systematically characterized using scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD) and a vector network analyzer.The result illustrates that the prepared aerogel exhibits a typical honeycomb-like porous structure,with a density of 90 mg/cm3 after heat treatment.In terms of electromagnetic wave absorption performance,the minimum reflection loss (RLmin) reaches -68.1 dB,and the maximum effective absorption bandwidth (EABmax) is 8.4 GHz.This study provides a feasible material design strategy and preparation route for developing microwave absorbing materials with the characteristics of being “thin,light,wide,and strong.”

Graphical abstract

关键词

亚纳米线 / 亚纳米片 / 冷冻铸造 / 微波吸收

Key words

sub-nanowires / sub-nanosheets / freeze-casting / microwave absorption

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白宝强,张涛,陈佳,付蕊,赛华征. 用于电磁波宽频吸收的1D/2D亚纳米基元复合气凝胶材料的制备[J]. 现代化工, 2026, 46(11): 102-106 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.11.018

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随着第5代移动通信(5G)、物联网及军事隐身技术的飞速发展,日益复杂的电磁环境在带来便利的同时,也引发了严峻的电磁波污染与干扰问题[1]。过量的电磁辐射不仅干扰电子设备的正常运行,更对生物体健康构成潜在威胁[2]。因此,开发能够高效衰减与转化电磁波能量的高性能吸波材料,已成为当前材料科学、物理及信息工程领域的研究前沿与迫切需求[3]。
理想的吸波材料需满足“薄、轻、宽、强”的综合要求,即在较小厚度与密度下,具备强反射损耗与宽吸收带宽。传统块体材料与微米级材料因阻抗匹配性差、损耗机制单一等固有局限,难以同时满足上述指标[4]。近年来,低维纳米材料,如一维纳米线与二维纳米片,因其独特的几何结构、可调的电子特性及丰富的界面效应,为设计新型吸波体提供了全新思路[5]。特别是亚纳米材料,其结构尺寸进一步逼近物理极限,不仅继承了纳米材料的优异特性,更因极大的比表面积和接近原子尺度的结构特征,能够暴露更多的活性位点,诱导更强的量子限域效应与表面效应,展现出作为高性能吸波基元的巨大潜力[6]。
异质界面的构筑被认为是提升性能的关键策略。当2种不同电、磁性质的纳米材料复合时,在其接触界面处会因费米能级差异而形成局域电场,促进界面电荷的积累与迁移,从而引发显著的界面极化(也称Maxwell-Wagner-Sillars效应)。这种极化弛豫过程是消耗电磁波能量的高效途径[7-8]。此外,丰富的异质界面还有利于优化材料的整体阻抗,改善其与自由空间的阻抗匹配,使更多电磁波能够进入材料内部被耗散,而非被表面反射。因此,通过合理的组分与结构设计,在材料内部构建大量、紧密的异质界面,已成为提升吸波性能的核心指导思想[9-10]。
然而,常规纳米材料中的异质界面密度受限于其自身尺寸,界面效应的最大化利用面临瓶颈。亚纳米材料的出现为突破这一瓶颈提供了契机。其“更小尺度”的本质意味着在相同体积或质量内,能够容纳更多数量的异质结单元,从而极大增加异质界面的总面积与密度[11-12]。这种高密度的界面网络,不仅能极大强化界面极化损耗,还能通过延长电磁波的多重散射与反射路径,协同提升导电损耗与极化弛豫,有望实现电磁波吸收性能的跨越式提升[13-14]。
本研究聚焦于一维(1D)与二维(2D)亚纳米材料的可控复合,旨在探索通过构筑高密度异质界面来设计高性能吸波材料的新途径。我们以具有特殊结构的GdOOH亚纳米线与CuO-PMA亚纳米片为模型基元,通过精确调控其复合比例与微观架构,系统研究其异质界面效应与电磁波吸收性能之间的构效关系,以期为开发下一代“薄、轻、宽、强”的先进吸波材料提供理论依据与实验基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验用到的主要原材料及生产厂家见表1。

1.2 仪器设备

本实验过程用到的实验仪器和设备见表2。

1.3 GdOOH亚纳米线/CuO-PMA亚纳米片复合气凝胶的制备

CuO-PMA亚纳米片的制备:提前配制浓度为0.05 mol/L的Cu(NO3)2的乙醇溶液。用分析天平准确称量0.054 g磷钼酸,将其放于反应釜内衬中,再向其中加入6 mL的0.05 mol/L的Cu(NO3)2的乙醇溶液。继续向内衬中加入4.634 1 g油胺以及18 mL正己烷,随后向反应釜内衬中加入磁转子,置于磁力搅拌器上搅拌10 min。随后,取出转子,将内衬与反应釜装配整齐,放入鼓风干燥箱中,设置140℃加热4 h。反应完全后将内衬中的上清液与沉淀分离,使其分散于环己烷中保存。
GdOOH亚纳米线的制备:(1)用分析天平准确称取0.8 g氯化钆六水合物(GdCl3·6H2O)于烧杯中,依次加入1 mL H2O和12 mL乙醇。将烧杯放于超声机中15 min。(2)向反应釜内衬中加入4 mL油胺与2 mL油酸,并向内衬中放入磁转子,置于磁力搅拌器上调至3档搅拌6~8 min。在超声和搅拌均结束后,将(1)加入(2)中,再次搅拌10 min,随后,取出转子,将内衬与反应釜装配整齐,放入鼓风干燥箱中,设置170℃加热4 h。反应完全后将内衬中的上清液与沉淀分离,使其分散于环己烷中保存。
CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶的制备:(1)称取1.827 g CuO亚纳米片,分散于环己烷中。(2)分别称取0.914、1.218、1.370 25 g GdOOH亚纳米线和0.914、0.609、0.456 75 g CuO亚纳米片。将其一一对应混合分散于环己烷中(质量比分别为1∶1、2∶1、3∶1)。将上述3种复合溶液分别进行冷冻铸造、真空干燥得到气凝胶样品。将得到的复合气凝胶进行热处理,最后,对得到的碳基气凝胶进行测试(图1)。

1.4 材料分析与表征

1.4.1 扫描电子显微镜分析(SEM)

通过场发射扫描电子显微镜(美国Thermo Scientific Apreo Ⅱ型)对气凝胶粉末的表面形貌结构进行表征,表征前对气凝胶表面进行喷金预处理以增强其导电性。

1.4.2 矢量网络分析(同轴法)

首先将样品置于石蜡中进行浸渍,之后将其压成3 mm左右的圆环,之后采用矢量网络分析仪(型号:N5234B PNA-X,安捷伦公司)在2~18 GHz的频率范围内测量了CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶(Gd-PnwA)的电磁参数。

1.4.3 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)

采用傅里叶变换红外光谱仪对气凝胶样品进行FT-IR检测,分析样品的特征峰,扫描范围在500~4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1。

1.4.4 热重分析(TGA)

本文采用德国耐驰公司STA449F3的热重分析测试仪对实验样品进行测试,首先,称取大约8 mg的样品并将样品置于陶瓷锅中,在30~800℃的温度范围内,在常压下以10℃/min的速度加热。

1.4.5 XRD分析

将块状样品研磨成均匀粉末后,取适量置于玻璃载玻片上,平整压实,随后将其放入XRD衍射仪样品台中,在10~90°的范围内进行扫描测试。

2 结果与分析

2.1 SEM分析

从图2中可以清晰地观察到,经过冷冻铸造后,CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶呈现出高度有序的三维网络结构,该结构的出现主要归因于铸造过程中冰晶的定向生长,在冰晶生长过程中产生的挤压力促使亚纳米片和亚纳米线在三维空间中进行自组装。此外,在后续的热处理过程中,复合材料的内部骨架保持稳定,没有发生坍塌,最终形成连续贯通孔道的蜂窝网状结构,这种独特的结构为后续的电磁波的吸收奠定了结构基础。由元素分布能谱图可知,Cu、Gd、C、O这4种元素在三维空间中呈现均匀分布,表明了CuO-PMA亚纳米片和GdOOH亚纳米线充分混合。

2.2 XRD分析

通过对CuO亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶进行XRD物相分析,如图3所示,该复合材料中含有Gd、Gd2CuO4、Cu、Cu5P和Gd2O3这5种物相。在高温处理过程中GdOOH亚纳米线和CuO-PMA亚纳米片之间发生了反应。其中,CuO中的部分Cu2+被还原为Cu,而GdOOH中的部分Gd3+被还原为Gd。此外,在处理过程中还生成了Gd2CuO4和Gd2O3等新物相。这些反应使得材料内部形成了多种异质界面,这些异质界面的存在显著增强了材料的极化损耗能力。这些化学反应和异质界面的形成,为复合气凝胶展现出优异的电磁屏蔽性能奠定了坚实的基础。

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

如图4所示,在红外光谱分析中,未观察到明显的吸收峰,这表明在碳化过程中,材料内部的有机成分已被充分去除,未留下任何残留。这一结果有力地证实了碳化过程的成功实施,从而成功制备出GdOOH亚纳米线/CuO-PMA亚纳米片复合气凝胶。

2.4 热重曲线分析

如图5所示,在热重分析中,当温度升至180℃时,CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶开始发生分解;至450℃时,分解过程完成。分解前后,材料的固含量相差55%,这表明材料中初始含有55%的有机组分。进一步观察发现,当温度达到850℃时,热重曲线进入平台期,而这一温度恰好与我们设定的碳化温度一致,这有力地说明在850℃时样品已被充分碳化,有机组分完全转化为碳结构。

2.5 电磁性能分析

为了深入探究材料的电磁波吸收性能,如图6所示,利用矢量网络分析仪对样品进行了测试。测试结果显示,当CuO-PMA亚纳米片GdOOH亚纳米线复合碳基气凝胶的混合比例为1∶1时,GdCu1-850的最大有效吸收带宽(EABmax)达到了 7.6 GHz,表明其具有较宽的吸收频段。然而,其最小反射损耗(RLmin)仅为-15.95 dB,这证实GdCu1-850的带宽虽宽,但其整体吸波性能并不理想。另外,GdCu2-850的EABmax为7.3 GHz,RLmin为-17.6 dB,性能较差。相比之下,GdCu3-850的EABmax为8.4 GHz,RLmin为-68.1 dB,这表明其电磁波吸收性能显著优于比例为1∶1和1∶2的样品。这一结果表明,随GdOOH亚纳米线添加量的增加,材料的吸波性能呈现逐渐增强的趋势。性能提升归因于GdOOH亚纳米线的引入,在气凝胶内部形成了大量异质界面和缺陷结构。这些结构增加了材料内部的极化损耗,从而显著提升了其电磁波吸收性能。
如图6(g)~(i)所示,我们对样品进行了阻抗匹配特性分析,结果显示,GdCu3-850归一化阻抗匹配(|Zin/Z0|)在Ku波段(12~18 GHz)趋于1。这一结果表明,该样品在Ku波段的电磁阻抗与空气介质实现了理想匹配。解释了该样品在3组不同比例中反射损耗峰值最低的原因。综上所述,GdCu3-850样品通过多重损耗机制的协同作用,在阻抗匹配与能量耗散方面达到了最优平衡,从而展现出最佳的电磁波吸收性能。

3 结论

本研究通过冷冻铸造和热处理相结合制备出三维结构CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶(GdCu)。基于电磁波吸收性能的差异,重点研究GdCu1-850、GdCu2-850和GdCu3-850这3种材料,并借助XRD、SEM以及矢量网络分析仪等手段,系统分析了气凝胶的化学组成、微观结构及吸波性能。主要结论如下。
(1)制备的CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶,经高温热处理后,亚纳米线转变为颗粒均匀附着于片层表面,显著增加了异质相界面与内置电场的有效作用面积。
(2)GdCu3-850表现出更优异的电磁波吸收性能。其中,GdCu3-850的RLmin为-68.1 dB,EABmax为8.4 GHz。吸波机制主要由于Cu相关氧化物/碳化物与Gd2O3之间的偶极极化、界面极化以及三维互联导电网络的协同作用。
(3)制备的三维CuO-PMA亚纳米片/GdOOH亚纳米线复合气凝胶具备良好的结构稳定性,可作为吸波基材或复合材料的增强骨架。此外,基于其高比表面积与表面褶皱结构,该气凝胶还有望作为负载纳米吸波粒子的三维多孔载体。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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基金资助

国家自然科学基金地区项目(22466028)

国家自然科学基金地区项目(52164013)

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