随着無線電通信和電子資訊技術的迅猛發展，電磁輻射污染問題日益凸顯，對電子裝置的穩定性和人體健康造成了嚴重威脅。電磁波吸收材料，通過将電磁能轉化為其他形式的能量，為解決上述問題提供了有效途徑，是以受到了國内外研究人員的廣泛關注。其中，合理設計複合材料的微結構和缺陷，能夠增加損耗機制和阻抗比對的調控自由度，被認為是優化電磁波吸收性能的關鍵措施。
在此背景下，中北大學蘇曉崗/劉亞青團隊與空軍工程大學許河秀教授、西北工業大學吳宏景教授通過可控原子遷移方法設計一種雜原子硫摻雜碳納米纖維/中空硫化钴雜化氣凝膠，并創新地提出缺陷-中空結構優先反應調控電磁波吸收性能的政策。具體而言，以細菌纖維素和钴鹽為原料，經過選擇氧化、實體交聯、定向冷凍幹燥、高溫處理和硫化等步驟得到雜化氣凝膠。其中，硫化過程涉及到Kirkendall效應和摻雜反應，改變硫蒸汽濃度可精确調節空心結構和摻雜程度。研究發現，低濃度的硫蒸汽主要用于結構調控，而高濃度的硫蒸汽則能夠實作結構和缺陷的共同調控，這主要歸因于兩者反應的熱動力學差異。結合實驗和理論方法，深入研究了優先效應與電磁波吸收性能之間的耦合關系。最終制備出的雜化氣凝膠展現出優異的性能，最大反射損耗達到-52.82 dB，有效吸收帶寬為8.82 GHz。此外，其出色的隔熱和超疏水性使其在紅外隐身和自清潔方面展現出潛在的應用價值。相關研究成果已以“Controllable atomic migration in microstructures and defects for electromagnetic wave absorption enhancement”為題，線上發表于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》。
圖文導讀
圖1.CSC氣凝膠的制備流程和微觀表征
圖2. CSC氣凝膠的基礎表征
圖3.CSC氣凝膠電磁波吸收特性分析
圖4.電磁波吸收的驗證和多功能特性的開發
小結
本文基于Kirkendall效應和雜原子硫摻雜碳，提出了通過控制硫原子遷移來精确建構結構和缺陷的政策，并進行了實驗驗證。揭示了硫蒸汽濃度與空心結構和缺陷兩者形成的作用機制，并發現它們之間的優先反應與電磁參數、吸波性能的關聯性。最終，該氣凝膠實作了良好的阻抗比對、界面極化、缺陷極化和電導損耗，最大反射損耗為- 52.82 dB, 有效吸收帶寬為8.82 GHz。這項工作為高性能電磁吸波材料的設計提供了新的思路。
來源：高分子科學前沿