王剛，張棟

（1.國(guó)能遼寧環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司沈水灣污水處理廠，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)化工大學(xué) 資源化工與材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

經(jīng)過(guò)150多年的孕育和發(fā)展，電磁技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)最重要的科技來(lái)源之一，幫助我們實(shí)現(xiàn)了智能信息和通信的夢(mèng)想，并已深入到我們生活的方方面面[1-2]。然而，各種數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一些不良的副作用，如電磁波的過(guò)量輻射會(huì)導(dǎo)致電磁干擾和污染[3-4]。對(duì)電磁污染級(jí)電磁輻射的防范正在演變?yōu)橐粋€(gè)廣泛關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題[5-6]。在過(guò)去的幾十年里，電磁吸收逐漸比傳統(tǒng)的電磁屏蔽受到更多的關(guān)注，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)能量轉(zhuǎn)換而不是物理反射的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)入射電磁波的耗散，從而大大降低了二次電磁污染的風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。在軍事領(lǐng)域，電磁吸收技術(shù)也為降低機(jī)動(dòng)武器裝備的雷達(dá)截面和信息泄露概率提供了有效的策略[9-10]。

眾所周知，電磁波在空間中通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)以相同的方向相互垂直傳播，這就決定了有兩種可能的途徑可以中斷電磁波的傳播，并最終通過(guò)與電場(chǎng)或磁場(chǎng)分支的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收耗散。因此，具有吸收特性的電磁功能介質(zhì)，通常被定義為電磁波吸收材料，可分為磁損耗型和介質(zhì)損耗型兩類[11-12]。鐵磁金屬由于其良好的性能，在電磁吸收的早期研究中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中一些電磁體，如羰基鐵等已成功開(kāi)發(fā)為商用電磁體[13]。但其高密度和填料負(fù)載無(wú)法滿足即將到來(lái)的新一代電磁吸收技術(shù)的應(yīng)用要求，特別是其易氧化、腐蝕等固有缺陷，極大地制約了其在一些室外惡劣條件下的長(zhǎng)期使用，如高溫暴露、潮濕、鹽霧等[14]。在眾多介電候選材料中，SiO2介電層表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以在很大程度上保護(hù)磁性材料不容易氧化和腐蝕，更重要的是，SiO2的介電性能可裁剪、密度低、形態(tài)多樣、儲(chǔ)量豐富，顯示出巨大的潛力。

在電磁吸收領(lǐng)域，核殼結(jié)構(gòu)鐵磁金屬基復(fù)合材料正成為一種極具吸引力的潛在材料，在電磁污染防治方面具有廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量呈數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)。因此，梳理這一研究分支的現(xiàn)狀和總結(jié)共性發(fā)現(xiàn)，挖掘隱藏的線索，將有助于相關(guān)領(lǐng)域的研究人員取得更多的突破。本文從內(nèi)置鐵磁金屬和外置介電層入手，介紹了核殼鐵磁金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，對(duì)目前核殼碳基復(fù)合材料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了深入探討，并對(duì)未來(lái)的研究提出了一些展望。

1 吸波材料的特點(diǎn)及分類

吸波材料一般由吸收劑和基體材料兩部分組成。吸收劑主要提供吸波性能，基體材料起到黏連或作為吸收劑載體的作用。吸收劑是電磁波吸收材料的關(guān)鍵材料。目前，吸波材料主料分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型[15]。結(jié)構(gòu)型吸波材料是指直接設(shè)計(jì)需要電磁防護(hù)的器件外殼，使其可以通過(guò)損耗達(dá)到減弱電磁波能量的一種材料，結(jié)構(gòu)型吸波材料的成型工藝復(fù)雜，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。涂覆型吸波材料是指用高效吸波劑作為填料，然后混合石蠟、樹(shù)脂、橡膠等具有透波性的基體，直接涂覆在需要電磁防護(hù)的器件表面的一類材料。控制涂覆型吸波材料的性能可通過(guò)控制吸收劑的性能來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)吸收劑的組分、微觀形貌和涂層厚度可以調(diào)節(jié)涂層材料的吸波性能。因此，涂覆型吸波材料具備工藝簡(jiǎn)單、性能易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，具有最廣泛的應(yīng)用。

2 鐵磁金屬基核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀、制備方法及特點(diǎn)

2.1 鐵磁金屬基核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法

目前常用的制備鐵磁金屬基核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的方法包括水熱法、原位聚合法、化學(xué)鍍法、電弧法等。隨著電磁波吸收材料的發(fā)展，研究學(xué)者們通過(guò)結(jié)合其他結(jié)構(gòu)的制備方法與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)并制備了多種不同形貌的核殼結(jié)構(gòu)鐵磁金屬基復(fù)合材料。

水熱法[16]采用水溶液作為反應(yīng)體系，在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行無(wú)機(jī)合成材料的有效方法，因其操作簡(jiǎn)單，分散性好，能通過(guò)簡(jiǎn)單的改變反應(yīng)條件來(lái)控制包覆層厚度，目前被廣泛應(yīng)用。但是由于反應(yīng)在密閉高溫高壓下進(jìn)行，產(chǎn)生的廢液、廢氣可能對(duì)環(huán)境和身體健康造成不良影響。原位聚合法[16]通常將磁性微粒超聲分散在反應(yīng)體系中，加入相應(yīng)的活性劑，引發(fā)聚合，從而在磁性粒子表面形成包覆層，進(jìn)而得到核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，步驟繁瑣?；瘜W(xué)鍍法[17]是通過(guò)氧化還原反應(yīng)將金屬鍍層沉積到基體表面的方法。通常化學(xué)鍍法制備的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的鍍層厚度均勻，電鍍液分散性高。缺點(diǎn)在于易氧化，壽命短，穩(wěn)定性差，需要特定的方式進(jìn)行存儲(chǔ)且鍍覆速率慢。電弧法[18]實(shí)質(zhì)上是一種自持放電現(xiàn)象，在一定條件下使正負(fù)極之間的氣體空間導(dǎo)電，從而將金屬陽(yáng)離子在陽(yáng)極的高溫下蒸發(fā)，最終沉積在陰極的基體表面得到核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

2.2 鐵磁金屬基和核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)

為了提高鐵磁金屬材料的性能，越來(lái)越多的研究團(tuán)隊(duì)將研究的重點(diǎn)放在了鐵磁金屬基復(fù)合材料的構(gòu)建上。近年來(lái)的研究表明，F(xiàn)e、Co、Ni及其合金和介電層（如SiO2、TiO2和碳材料）都可以有效地優(yōu)化電磁特性，改善阻抗匹配，豐富損耗機(jī)制[19]。例如，將不同的電磁組分與SiO2材料組裝成獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)，即由核（內(nèi)組分）和連續(xù)均勻的殼（外層組分）組成的同心雙層納米結(jié)構(gòu)。如CHEN[20]等報(bào)道生物質(zhì)制備的鐵磁金屬微球，Co微球在Ku波段表現(xiàn)出良好的電磁波吸收性能，其最小RL強(qiáng)度和EAB分別為 37.2 dB和 5.7 GHz，匹配厚度為2.0 mm。遺憾的是，當(dāng)入射電磁波的頻率超出 Ku波段時(shí)，這些復(fù)合微球的性能會(huì)大大降低。在鐵磁金屬球表面引入SiO2殼，不僅可以通過(guò)磁損耗機(jī)制獲得預(yù)期效率，還可以建立核殼構(gòu)型來(lái)增加界面協(xié)同效應(yīng)，被認(rèn)為是增強(qiáng)電磁性能的一種有效策略。CHEN[21]等基于溶液化學(xué)和氫熱處理開(kāi)發(fā)了鐵磁金屬/合金顆粒制備及處理的工藝方法，實(shí)現(xiàn)了 SiO2介電層與鐵磁顆粒的復(fù)合，如圖1所示。然而，Co顆粒的吸波性能并沒(méi)有帶來(lái)明顯的改善，其最小RL強(qiáng)度和EAB分別只有 16.0 dB和 2.0 GHz（7.6~9.6 GHz）。CHEN[22]等進(jìn)一步在Co7Fe3微球表面包覆了二氧化硅介電層，二氧化硅的存在對(duì)阻抗匹配和介電損耗做出了堅(jiān)實(shí)的貢獻(xiàn)，在一定程度上鞏固了復(fù)合材料在S和C波段的吸收性能，如圖2所示。

圖1 不同包覆時(shí)間Co基鐵磁金屬@SiO2顆粒的SEM和TEM圖

圖2 Co7Fe3@TiO2納米球的制備示意圖及不同厚度下的反射損耗

CHEN[23]等研究了水熱還原條件下Ni、Co復(fù)合SiO2殼層的評(píng)價(jià)，除了鐵磁金屬基復(fù)合材料的固有損耗特性外，核殼結(jié)構(gòu)的形成賦予了復(fù)合顆粒新的性能。首先，核殼結(jié)構(gòu)有利于鐵磁金屬材料與介電組分的充分接觸，產(chǎn)生的充足非均質(zhì)界面會(huì)通過(guò)強(qiáng)大的極化效應(yīng)顯著增加入射電磁波的能量消耗。其次，核殼結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步激發(fā)核殼之間的協(xié)同效應(yīng)，有效優(yōu)化阻抗特性，拓寬響應(yīng)帶寬[24]。第三，核殼結(jié)構(gòu)為分別對(duì)核及殼進(jìn)行更詳細(xì)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)。其中分層微結(jié)構(gòu)的形成可以增強(qiáng)入射電磁波的多重反射和散射，從而增強(qiáng)吸收性能[25]。第四，核殼復(fù)合材料具有良好的化學(xué)均勻性，可以有效消除常規(guī)復(fù)合材料中的成分偏析，從而使其電磁參數(shù)穩(wěn)定，而不是依賴于某些非科學(xué)參數(shù)（如攪拌時(shí)間、攪拌速度、分離方法）的隨機(jī)性能[26]。第五，核殼復(fù)合材料通常具有良好的分散性，便于在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步加工。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

雖然這些核殼鐵磁金屬基復(fù)合材料在電磁吸收方面取得了相當(dāng)大的成就，但在性能和應(yīng)用方面仍存在一些挑戰(zhàn)。一是低頻電磁吸收亟待提高。到目前為止，大多數(shù)復(fù)合材料在中高頻范圍（8.0~18.0 GHz），即使施加較小的吸波厚度也能產(chǎn)生良好的電磁吸收性能，而在低頻范圍（2.0~8.0 GHz）則不能保持良好的性能，除非吸波厚度累積到5.0 mm。這是由于介電損耗或者磁損耗不能滿足低頻的要求。因此，對(duì)其電磁性能進(jìn)行合理的調(diào)控仍然是成分優(yōu)化和微觀設(shè)計(jì)的迫切要求。只有解決了這個(gè)問(wèn)題，才有可能真正收獲2.0~18.0 GHz全頻率范圍內(nèi)寬帶響應(yīng)。其次，除電磁吸收性能外，環(huán)境耐受性也應(yīng)受到重視，因?yàn)樗c吸波材料在實(shí)際應(yīng)用中的可用性和壽命密切相關(guān)。眾所周知，吸波材料通常在室外環(huán)境中使用，可能涉及酸性/堿性、大濕度、高溫、濃鹽霧等環(huán)境，良好的環(huán)境耐受性將保證其在一些苛刻的室外條件下持久使用。鐵磁金屬顆粒是高性能吸波材料的典型候選材料，而腐蝕和氧化敏感性限制了其在復(fù)雜情況下的應(yīng)用。從這一角度來(lái)看，構(gòu)建穩(wěn)定的介電復(fù)合材料，是鐵磁金屬顆粒很有吸引力的發(fā)展方向。目前吸波材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建多基于研究者的經(jīng)驗(yàn)，僅根據(jù)幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果很難總結(jié)出電磁吸收的宏觀變化規(guī)律。如果能夠建立一個(gè)包含電子能譜組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能等信息的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的綜合分析和計(jì)算，就可以推斷出理想電子能譜的預(yù)測(cè)結(jié)果，這將大大縮短探索高性能電子能譜的時(shí)間和成本。因此，在未來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)的概念有望在電磁吸收方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。