李俊, 于名訊, 劉峣, 林龍, 勾雯啟, 周帥

（1.河南工程學(xué)院 材料工程學(xué)院，鄭州 450007；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031；3.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250013）

5G時(shí)代的到來給人們的生活提供諸多便利，同時(shí)也帶來了許多困擾。隨著無線通訊設(shè)備的大量使用，電磁輻射污染也越發(fā)嚴(yán)重[1-3]。吸波材料可以有效地減少雷達(dá)回波，對(duì)電磁輻射進(jìn)行有效的吸收，因此受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視[4]。目前比較成熟的吸波材料大多有磁性吸波劑和聚合物基體形成的涂層型材料，磁性材料有很大的比例，質(zhì)量較大違背了一些設(shè)備輕質(zhì)化的要求。研制出一種新型的質(zhì)量輕且強(qiáng)吸收的吸波材料成為了科研的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[5-7]。

氣凝膠憑借其極高的孔隙率、較高的比表面積、極低的密度、極低的導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)良性能，在航空航天隔熱、電磁波屏蔽與吸收、綠色過濾材料等新型功能材料領(lǐng)域中表現(xiàn)出優(yōu)越的綜合性能[8-10]。梁軍芳[11]利用高壓浸漬技術(shù)創(chuàng)新性地在陶瓷氣凝膠中引入具有良好力學(xué)性能的莫來石纖維氈和多孔氮化硅從而改善SiCN先驅(qū)體陶瓷氣凝膠的力學(xué)性能，通過高溫?zé)峤夥ㄐ纬蒘iCN先驅(qū)體陶瓷氣凝膠復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的一體化，氣凝膠具有良好的結(jié)構(gòu)與隔熱效果的同時(shí)，其回波損耗值可達(dá)-54.35 dB，對(duì)應(yīng)的有效頻帶寬為4.16 GHz，表現(xiàn)出良好的吸波性能。王立杰[12]通過對(duì)石墨烯氣凝膠復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)的研究及對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的控制，把冷凍干燥法和高溫還原法進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用，制備出多相復(fù)合材料，并將碳納米管導(dǎo)電材料加入到電磁波吸收材料中，在氣凝膠的發(fā)達(dá)的空隙中形成導(dǎo)電通道利于阻抗匹配以增強(qiáng)對(duì)微波的吸收，其中在碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.3wt%時(shí)，氣凝膠在21.7 GHz處，最小反射損耗為-50.1 dB。

具有良好損耗性能的氣凝膠，往往由于其匹配性能較差，導(dǎo)致其吸波帶寬窄。SiO2纖維因本身的介電損耗較小，一般作為一種透波材料[13]，極容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配性能要求，因此研究人員希望提高SiO2氣凝膠的損耗特性，制備出理想的吸波材料。可以通過引入碳纖維、碳納米管、石墨烯、SiC、聚吡咯等吸波粒子復(fù)合使用。如Xie等[14]通過原位聚合，制備了一種三維聚吡咯/納米SiO2氣凝膠材料，材料具有一定的吸波能力，當(dāng)氣凝膠填充量為20wt%時(shí)，具有6.0 GHz 的有效吸收。An等[15]利用超臨界干燥和碳熱還原工藝制備出C/SiO2/SiC三元?dú)饽z，在12.4～18 GHz范圍內(nèi)，總電磁屏蔽效能為-24 dB，有一定的電磁屏蔽和吸波特性。

本文另辟新徑，通過與環(huán)境友好型高分子海藻酸鈉(Sodium alginate，SA)復(fù)合制備一種有機(jī)無機(jī)雜化氣凝膠，以金屬離子摻雜的方式來調(diào)控復(fù)合氣凝膠的吸波參數(shù)。探究不添加吸波劑的條件下，僅僅依靠離子摻雜的手段，能否對(duì)SiO2納米纖維基復(fù)合氣凝膠吸波性能進(jìn)行大幅提升。具體方案如下：以正硅酸乙酯為原料，運(yùn)用靜電紡絲法制得柔性SiO2納米纖維，然后將制得的SiO2納米纖維均化SA溶液中，利用鋁硼硅(AlBSi)溶膠、FeCl3進(jìn)行摻雜，最后通過冷凍干燥法制得SA/SiO2、SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3這3種氣凝膠。對(duì)比分析3種材料的微觀結(jié)構(gòu)、介電性能與吸波性能，并對(duì)其吸波機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

正硅酸乙酯(TEOS，分析純)，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水三氯化鋁、硼酸、磷酸、無水氯化鐵、海藻酸鈉(分析純)，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯醇(PVA，醇解度：98.0mol%～99.0mol%，黏度5.2～6.0 mPa·s)，阿拉丁試劑上海有限公司。

1.2 樣品制備

PVA/SiO2納米纖維：將10wt%的PVA溶液和硅溶膠(正硅酸乙酯與去離子水摩爾比為1∶10，磷酸調(diào)節(jié)pH為2～5，磁力攪拌反應(yīng)5 h)等質(zhì)量混合后利用磁力攪拌器繼續(xù)攪拌2 h，在超聲清洗機(jī)中分散30 min后形成穩(wěn)定的靜電紡絲溶液。利用深圳市通力微納科技有限公司生產(chǎn)的TL-Pro高壓靜電紡絲機(jī)，制備SiO2納米纖維膜。靜電紡絲參數(shù)：電壓18 kV，注射器推進(jìn)速度1 mL/h，接收距離20 cm，滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min。

柔性SiO2納米纖維：將納米纖維膜放入合肥科晶VBF-1200X水平真空坩堝爐中進(jìn)行煅燒，制得純SiO2納米纖維。煅燒參數(shù)：升溫速率5℃/min，終止溫度800℃，降溫速率8℃/min，煅燒的環(huán)境為空氣氛圍。

SA/SiO2氣凝膠的制備：將在煅燒后的納米纖維膜用剪刀裁剪成1 mm×1 mm的碎片，稱取0.3 g SiO2納米纖維加入到70 mL的1wt%的海藻酸鈉溶液中，利用上海昂尼儀器有限公司AD200L-P型分散均質(zhì)機(jī)在12 000 r/min下攪拌分散5 min，形成均勻穩(wěn)定的SiO2/SA納米纖維漿。然后倒入離心管中，用液氮冷凍10～15 min。最后在北京松原華興科技發(fā)展有限公司的LGJ-10型冷凍干燥機(jī)中干燥48 h，制得SA/SiO2氣凝膠。

SA/SiO2/AlBSi氣凝膠的制備：利用10.41 g TEOS、2.67 g (0.02 mol) AlCl3、0.011 g H3PO4、0.62 g H3BO3、20 mL H2O 反應(yīng)4 h制成AlBSi溶膠，取1 mL AlBSi溶膠加至10 mL的SiO2/SA納米纖維漿中，高速攪拌5 min后，用液氮冷凍10～15 min，最后經(jīng)冷凍干燥48 h制得SA/SiO2/AlBSi氣凝膠。

SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的制備：取1 mL濃度為1 mol/L的FeCl3水溶液和1 mL AlBSi溶膠加入到10 mL的SiO2/SA納米纖維漿中，高速攪拌5 min后，用液氮冷凍10～15 min，最后經(jīng)冷凍干燥48 h，制得SA/SiO2/FeCl3氣凝膠。

1.3 測(cè)試與表征

利用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet 6700，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)對(duì)靜電紡絲納米纖維膜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析；使用配有EDAX能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(Quanta250，美國(guó)FEI)表征納米纖維膜的元素含量、微觀結(jié)構(gòu)及氣凝膠的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

將石蠟加熱溶解，氣凝膠浸泡至石蠟熔體30 min中，將其取出，冷卻后切割成外徑7 mm、內(nèi)徑3 mm的介電環(huán)。介電環(huán)氣凝膠的含量w=w1/w2，其中w1為氣凝膠的質(zhì)量，w2為浸泡完石蠟后氣凝膠的質(zhì)量。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)定樣品的相對(duì)介電常數(shù)εr(εr=ε'–jε")和相對(duì)磁導(dǎo)率μr(μr=μ'–jμ")等電磁參數(shù)，按照傳輸線理論，利用公式(1)和公式(2)計(jì)算不同厚度的反射率損耗值RL。

其中：Z0和Zin分別為空間自由阻抗和入射阻抗；f、d和c分別為頻率、樣品厚度和光速；μr和εr為樣品的復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)；ε'為介電常數(shù)實(shí)部；ε''為介電常數(shù)虛部；μ'為磁導(dǎo)率實(shí)部；μ''為磁導(dǎo)率虛部。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣凝膠化學(xué)組成分析

圖1為PVA/SiO2納米纖維、碳化后的SiO2納米纖維和SA/SiO2氣凝膠的紅外圖譜。SA/SiO2氣凝膠在3 340 cm-1、2 940 cm-1處的特征峰分別代表SA的-OH、C-H 的伸縮振動(dòng)峰，在1 650 cm-1和1 430 cm-1附近出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的吸收峰，為SA分子上羧基的伸縮振動(dòng)峰；在944 cm-1代表Si-OH的伸縮振動(dòng)峰。在PVA/SiO2納米纖維紅外圖譜中可看出在3 410 cm-1、1 650 cm-1附近的峰分別對(duì)應(yīng)于PVA的-OH、C=O(殘留乙酸酯)基團(tuán)；1 070 cm-1和940 cm-1為Si-O和Si-OH的伸縮振動(dòng)峰[16]。由碳化后SiO2納米纖維紅外圖譜可以看出，在1 070 cm-1、808 cm-1處有兩個(gè)明顯伸縮振動(dòng)峰，分別為Si-O-Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)的特征吸收峰。

圖1 聚乙烯醇(PVA)/SiO2納米纖維、SiO2納米纖維和海藻酸鈉(SA)/SiO2氣凝膠的紅外圖譜Fig.1 FTIR spectra of polyvinyl alcohol (PVA)/SiO2 nanofibers, SiO2 nanofibers and sodium alginate (SA)/SiO2 aerogel

2.2 氣凝膠形貌

在SA/SiO2氣凝膠制備過程中，纖維/溶膠分散液在冷凍干燥機(jī)的低溫環(huán)境中，溶劑的水分易形成冰晶，在冰晶的生長(zhǎng)過程中，SiO2纖維和溶膠被擠壓到冰晶的孔隙處，最后經(jīng)冷凍干燥過程除去冰晶模板，形成了三維多孔結(jié)構(gòu)。圖2(a)～2(c)為SA/SiO2氣凝膠形貌，圖2(d)～2(f)為SA/SiO2/AlBSi氣凝膠的形貌圖，圖2(g)～2(i)為SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的形貌圖。由圖2(a)～2(c)中可以看出，以SA為溶膠制備的氣凝膠，SiO2纖維無規(guī)分散在SA中，通過進(jìn)一步放大，在SiO2纖維表面包裹一層SA，在兩者連接處，存在大量的裂縫和空隙，對(duì)表層的SA放大觀察，發(fā)現(xiàn)SA中存在平均孔徑為0.23 μm的微孔結(jié)構(gòu)。由圖2(e)看出，加入AlBSi溶膠后，SA表面的微孔結(jié)構(gòu)消失，經(jīng)過Al3+摻雜后SA表面生長(zhǎng)出球形突觸，如圖2(f)所示，在SiO2纖維表面也有突觸狀的小球產(chǎn)生。圖2(g)～2(i)中可以看出加入FeCl3溶液摻雜后，SA/SiO2氣凝膠表面變粗糙，生長(zhǎng)了大量的塊狀顆粒，對(duì)其進(jìn)行EDS測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖2 SA/SiO2 ((a)～(c))、SA/SiO2/AlBSi ((d)～(f))、SA/SiO2/FeCl3 ((g)～(i))氣凝膠的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像Fig.2 Field emission scanning electron microscopy images of SA/SiO2 ((a)-(c)), SA/SiO2/AlBSi ((d)-(f)), SA/SiO2/FeCl3 ((g)-(i)) aerogels

圖3 SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的EDS圖像((a)～(d))、實(shí)物照片(e)及元素組成(f)Fig.3 EDS photographs ((a)-(d)), physical photograph (e) and element composition (f) of SA/SiO2/FeCl3 aerogel

圖3(a)～3(d)為SA/SiO2/FeCl3氣凝膠表面C、Si、O、Fe元素分布圖。氣凝膠的主要組成元素為C、O、Na、Si、P、Cl、Fe，其中Fe、Cl原子百分比較高，分別為5.66at%、7.2at%，如圖3(f)所示。對(duì)比圖3(d)和圖2(i)，可以看出SA/SiO2/FeCl3氣凝膠片層上Fe元素均勻分布在整個(gè)區(qū)域，而Fe3+與藻酸鹽的螯合后，F(xiàn)e3+傾向形成具有非平面幾何形狀的分子間螯合，其中包含金屬離子的平面垂直于藻酸鹽鏈的平面，由于包含金屬離子的平面周圍存在許多通道，因此在垂直幾何結(jié)構(gòu)的情況下，電荷載流子往往會(huì)獲得更高的遷移速度[17]。圖3(e)為SiO2/SA/FeCl3氣凝膠的實(shí)物照片，其密度為15.76 mg/cm3。

2.3 氣凝膠電磁參數(shù)的變化規(guī)律

SA/SiO2、SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的介電常數(shù)、介電損耗正切角及其磁導(dǎo)率、磁損耗正切角隨頻率的變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可看出3種氣凝膠的介電損耗實(shí)部的變化趨勢(shì)是隨著頻率的增加而振蕩下降，在9～12 GHz的范圍內(nèi)有峰值出現(xiàn)，SA/SiO2/AlBSi 氣凝膠的ε'在15～18 GHz有一個(gè)振蕩上升的過程，整個(gè)區(qū)間內(nèi)的極大值為2.8，在18 GHz處達(dá)到。由圖4(b)和圖4(c)可以看出，3種氣凝膠的介電損耗虛部ε''和介電損耗角正切ε''/ε'都隨著頻率的增加反復(fù)振蕩，兩者的變化趨勢(shì)和極值出現(xiàn)的位置基本一致。SA/SiO2氣凝膠的ε''在10～13 GHz有兩處峰值，最大值為0.27在12.56 GHz處達(dá)到，其ε''/ε'的變化趨勢(shì)和ε''一致，其極值點(diǎn)也在12.56 GHz處達(dá)到。SA/SiO2/AlBSi氣凝膠的ε''和ε''/ε'在13.2～14.6 GHz和17～18 GHz的范圍內(nèi)隨著頻率的增加而線性增加。SA/SiO2/FeCl3氣凝膠在13.6～14.8 GHz處的ε''和ε''/ε'都為負(fù)值，其出現(xiàn)的原因可能是，處于交變電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，在感生磁場(chǎng)的作用下生成了相反的感生電流，抵消了部分原始電流，使介電常數(shù)虛部下降直至變?yōu)樨?fù)值[18-20]。

圖4 SA/SiO2、SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的介電常數(shù)實(shí)部ε' (a)、介電常數(shù)虛部ε'' (b)、介電損耗正切角ε''/ε' (c)及其磁導(dǎo)率實(shí)部μ' (d)、磁導(dǎo)率虛部μ'' (e)、磁損耗正切角μ''/μ' (f)隨頻率的變化曲線Fig.4 Real part of dielectric constant ε' (a), imaginary part of dielectric constant ε'' (b), dielectric loss tangent angle ε''/ε' (c) and change curves of real part of permeability μ' (d), imaginary part of the permeability μ'' (e), magnetic loss tangent angle μ''/μ' (f) with frequency for SA/SiO2, SA/SiO2/AlBSi,SA/SiO2/FeCl3 aerogel

復(fù)磁導(dǎo)率是表征材料吸波性能的一個(gè)必不可少的參數(shù)，其實(shí)部表征的是材料能儲(chǔ)存磁能量的能力，其虛部是代表材料損耗的能力[21]。從圖4(d)中可以看出，在2～18 GHz的范圍內(nèi)，SA/SiO2氣凝膠的μ'隨著頻率反復(fù)振蕩，在4.68 GHz處有極大值1.2出現(xiàn)。SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的磁導(dǎo)率實(shí)部μ'隨著頻率先振蕩上升后急速下降最后又線性增大，在13～15 GHz 的范圍內(nèi)有極值出現(xiàn)，SA/SiO2/AlBSi氣凝膠的極大值為1.26在12.5 GHz處，SA/SiO2/FeCl3的氣凝膠的極大值1.33在13.1 GHz處。由圖4(e)可看出3種氣凝膠的μ''隨著頻率反復(fù)振蕩，SA/SiO2的極大值0.26在5.2 GHz處，SA/SiO2/AlBSi的極大值0.46在14.9 GHz處，SA/SiO2/FeCl3的極大值0.76在14.06 GHz處。由圖4(f)可看出3種氣凝膠的μ''/μ'的變化規(guī)律和趨勢(shì)與μ''基本相同。

2.4 氣凝膠的吸波性能

當(dāng)RL<–10 dB時(shí)，表示材料可衰減超過90%的電磁波，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率寬度稱為有效吸收帶寬[22]。圖5為不同氣凝膠的反射率曲線及3D示意圖。由圖5(a)～5(b)可看出SA/SiO2氣凝膠隨著樣品厚度的增加，其吸波效果逐漸增大，但是整體吸波效果較差，反射率基本在–5 dB以上，沒有形成有效吸收。由圖5(c)～5(d)可看出SA/SiO2/AlBSi氣凝膠在厚度為3 mm時(shí)有最大吸收峰，峰值為-10.9 dB，在14.83 GHz處達(dá)到，但是整體吸波強(qiáng)度不高，吸波帶寬較窄，-5 dB的吸波帶寬僅有0.44 GHz (14.54～14.98 GHz)。由圖5(e)～5(f)可看出SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的反射率隨著樣品厚度的增大，先增加后減少。當(dāng)樣品厚度為3 mm時(shí)，其最大的吸收峰值為-23.85 dB在14.42 GHz處達(dá)到，其-10 dB以下的吸收帶寬為1.3 GHz (-13.82～15.12 GHz)，-5 dB以下的吸波帶寬為2.48 GHz(13.1～15.58 GHz)，整體看來SA/SiO2/FeCl3樣品的吸波效果最理想。推測(cè)原因?yàn)?，SA/SiO2/FeCl3中Fe3+與藻酸鹽的螯合后，F(xiàn)e3+傾向形成具有非平面幾何形狀的分子間螯合，其中包含金屬離子的平面垂直于藻酸鹽鏈的平面，由于包含金屬離子的平面周圍存在許多通道，因此在垂直幾何結(jié)構(gòu)的情況下，電荷載流子往往會(huì)獲得更高的遷移速度[17]。因此，當(dāng)電磁波照射到氣凝膠表面上時(shí)，SA/SiO2/FeCl3具有更快的載流子遷移速率，使電磁波迅速消散。

圖5 不同氣凝膠的反射率曲線((a), (c), (e))及3D示意圖((b), (d), (f))Fig.5 Reflectance curves ((a), (c), (e)) and 3D diagrams ((b), (d), (f)) of different aerogels

表1展示了幾種陶瓷基材料的吸波性能對(duì)比[11,13,23-25]。對(duì)比參考文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)此氣凝膠在較低的添加量下，已經(jīng)具有一定的吸波效果，是一種有一定應(yīng)用前景的吸波材料。材料的吸波性能受衰減系數(shù)α和阻抗匹配Ζ影響，其計(jì)算公式如下式所示[26-28]：

表1 幾種陶瓷基材料的吸波性能對(duì)比Table 1 Comparison of wave absorption properties of several ceramic-based materials

衰減系數(shù)α越大，說明材料吸波能力越強(qiáng)，但是材料衰減系數(shù)大，其阻抗匹配性能較差，電磁波不能進(jìn)入材料內(nèi)部而在表面直接被反射出去，因此吸波性能優(yōu)良材料不僅具有一定的衰減能力還有良好的阻抗匹配特性。3種氣凝膠的衰減系數(shù)隨頻率的變化曲線如圖6所示，SA/SiO2氣凝膠的衰減系數(shù)為2.1～55.4，SA/SiO2/AlBSi氣凝膠的衰減系數(shù)范圍為1.8～140.8，SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的衰減系數(shù)為1.7～257.8。對(duì)比可見，SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的微波損耗能力最強(qiáng)。不同厚度樣品的阻抗匹配特性曲線如圖6(b)所示。當(dāng)材料的Z值接近于1，可認(rèn)為材料具有良好的阻抗匹配特性[29-30]，對(duì)比其阻抗匹配圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品厚度為1.7～6 mm時(shí)，都有良好的阻抗匹配效果，此時(shí)絕大多數(shù)電磁波能夠進(jìn)入材料內(nèi)部，并能通過材料的介電損耗機(jī)制將自身能量轉(zhuǎn)換為熱能，達(dá)到在材料內(nèi)部衰減的效果。

圖6 SA/SiO2、SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3氣凝膠的衰減系數(shù)(a)和SA/SiO2/FeCl3氣凝膠阻抗匹配隨頻率的變化曲線圖(b)Fig.6 Curves of attenuation coefficient of SA/SiO2, SA/SiO2/AlBSi, SA/SiO2/FeCl3 aerogel (a) and impedance matching of SA/SiO2/FeCl3 aerogel versus frequency (b)

2.5 氣凝膠的吸波機(jī)制

根據(jù)德拜理論，復(fù)介電常數(shù)ε'–ε''可以看做一個(gè)半圓，該半圓稱為科勒-科勒半圓，具體表達(dá)如下式：

其中：εs為靜電場(chǎng)下的介電常數(shù)值；ε∞為光頻率下的介電常數(shù)值。

如果曲線形成一個(gè)半圓，則說明發(fā)生了一個(gè)馳豫過程，半圓越多，馳豫過程越復(fù)雜，其吸波性能可能越好。由圖7(a)～7(c)可知，3種氣凝膠的ε'–ε''曲線圖，SA/SiO2氣凝膠含有3個(gè)科勒-科勒半圓，說明其發(fā)生了3重介電馳豫，有利于電磁波吸收。SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3氣凝膠只有2個(gè)科勒-科勒半圓，發(fā)生了兩重介電馳豫。介電馳豫可能是由偶極子極化、界面極化或其共同作用引起。偶極子極化是由碳化后的SiO2納米纖維產(chǎn)生的晶格缺陷和官能團(tuán)產(chǎn)生的，缺陷和官能團(tuán)促進(jìn)了偶極弛豫，增強(qiáng)了介電損耗能力[31]。介電馳豫數(shù)量的降低說明SA經(jīng)過Fe3+和Al3+摻雜后缺陷度下降，氣凝膠腔胞之間連接更緊密，完善度提高，使能夠產(chǎn)生介電極化的缺陷越少，因此在交變電場(chǎng)下材料介電馳豫現(xiàn)象減少一重。界面極化是由于在形成的三維多孔SA/SiO2氣凝膠異質(zhì)表面的載流子積累，這可以用Maxwell-Wagner極化現(xiàn)象解釋。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁性金屬材料會(huì)由于磁通密度的變化而感生出環(huán)形感應(yīng)電流，這會(huì)引起電磁能量的損耗，這種能量損失的方式成為渦流損耗[32-34]。其損耗值大小可以由下式衡量。

其中：μ0為真空磁導(dǎo)率；σ為材料的電導(dǎo)率；d為材料的厚度。將式(4)整理后可變化為下式：

若材料的磁損耗只有渦流損耗引起，那么C0隨頻率的變化應(yīng)為一個(gè)恒定值。如圖7(d)所示，3種氣凝膠的渦流損耗因子都隨頻率的變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，無恒值出現(xiàn)，并且C0的數(shù)值極小，可看出渦流損耗極低，不起主要作用。

通過上述機(jī)制的研究，SA/SiO2氣凝膠主要依靠介電極化和介電馳豫進(jìn)行介電損耗，其介電損耗能力較弱，因此沒有形成有效吸收。

對(duì)比SA/SiO2氣凝膠，SA/SiO2/AlBSi氣凝膠介電實(shí)部大大提高，說明AlBSi溶膠的摻雜使氣凝膠表面產(chǎn)生大量的小顆粒，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)不但能提高氣凝膠的極化能力還能夠提高電磁波的漫反射和折射，延長(zhǎng)了氣凝膠損耗路徑，提高了其吸波效果。

而SA/SiO2/FeCl3氣凝膠復(fù)合材料具備優(yōu)異吸波性能的主要原因是：首先，對(duì)比SA/SiO2氣凝膠，SA/SiO2/FeCl3氣凝膠磁導(dǎo)率虛部和實(shí)部都增加，說明Fe3+的摻雜提高了氣凝膠的磁損耗性能。其次，經(jīng)過FeCl3摻雜后，SiO2納米纖維表面有塊狀顆粒結(jié)構(gòu)，這種小晶粒在材料中形成大量的固-空界面，復(fù)合材料和空氣的電導(dǎo)率不同，可使電子在固-空界面處積累，產(chǎn)生更強(qiáng)的界面極化和更多的能量耗散[35-36]，然后，SiO2納米纖維之間形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于形成感應(yīng)電流。當(dāng)復(fù)合材料處于電磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在變化的電磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)微電流形成導(dǎo)電損耗，消耗了電磁波能量[37-38]，最后，由于氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)的存在，有利于電磁波在氣凝膠內(nèi)部進(jìn)行多次反射和折射，延長(zhǎng)了損耗路徑，最終使整體吸波性能得到提高。

3 結(jié) 論

(1) 利用柔性SiO2納米纖和海藻酸鈉(SA)通過冷凍干燥制備了SA/SiO2、SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3這3種 SiO2納米纖維基氣凝膠。

(2) 對(duì)于SA/SiO2/AlBSi氣凝膠，AlBSi的引入提高了氣凝膠的介電損耗能力，使其擁有-10.9 dB最大吸收峰，在14.83 GHz處達(dá)到。

(3) 向SA/SiO2氣凝膠中引入FeCl3后，F(xiàn)e3+與藻酸鹽螯合形成小晶粒包覆在SiO2纖維表面，使電荷載流子往往會(huì)獲得更高的遷移速度，不僅提高了氣凝膠的介電損耗能力，還提高了其磁損耗能力，當(dāng)樣品厚度為3 mm時(shí)，其最大的吸收峰值-23.85 dB在14.42 GHz處達(dá)到，其有效吸收帶寬為1.3 GHz (13.82～15.12 GHz)。