电磁波路径设计构建多异质界面实现高效电磁波吸收新材料研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Multiple heterogeneous interfaces based on electromagnetic wave path design for electromagnetic wave absorption

　　本研究针对5G/6G高频电磁波干扰问题，通过水热合成与静电自组装技术构建了CoFe2O4@MIL-101@MoS2/GO多组分复合材料。该材料利用独特的八面体结构设计电磁波传输路径，通过构建多重异质界面增强界面极化效应，实现了反射损耗-55.13 dB、有效吸收带宽6.3 GHz的优异性能，结合DFT理论计算揭示了界面极化增强机制，为复杂电磁环境下吸波材料设计提供了新思路。

　　

随着5G/6G通信技术的飞速发展，高频电磁波污染已成为影响精密电子设备正常运行和人体健康的重要问题。在军事隐身技术、电子对抗和辐射防护等领域，开发高效电磁波吸收材料具有迫切需求。然而，传统单组分吸波材料存在吸收能力有限、频带窄等瓶颈，难以满足现代通信技术对宽频带强吸收性能的要求。

针对这一挑战，研究人员将目光投向金属有机框架材料这一新兴平台。MIL-101以其独特的八面体结构和超大比表面积展现出设计高效吸波材料的潜力，但单纯MOF材料存在介电常数低、缺乏磁损耗等固有缺陷。近年来，通过构建多组分复合材料引入多种损耗机制成为突破性能瓶颈的有效策略，但多异质界面体系中的电磁波吸收机理尚不明确。

在这项发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》的研究中，宫大明等研究人员创新性地提出基于电磁波路径设计的异质界面构建策略，通过多组分协同作用实现了电磁波吸收性能的显著提升。研究团队采用水热合成与静电自组装技术，成功制备了CoFe₂O₄@MIL-101@MoS₂/GO多级结构复合材料，系统探究了其微观结构、电磁特性及吸波机制。

关键技术方法包括：通过两步水热法在MIL-101八面体表面及孔道内锚定CoFe₂O₄纳米颗粒，构建核壳结构；在此基础上外包覆片层MoS₂形成多重异质界面；最后通过静电自组装与氧化石墨烯复合，调控不同质量比例优化电磁参数。材料表征采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等技术分析微观形貌与晶体结构，利用矢量网络分析仪测试电磁参数，并结合第一性原理计算从理论上阐明界面极化机制。

材料形貌与化学组成

研究人员首先通过SEM和TEM对材料微观结构进行系统表征。纯MIL-101呈现典型的八面体形貌，CoFe₂O₄纳米颗粒均匀分布在MIL-101表面，形成CFM复合材料。高分辨TEM显示CoFe₂O₄的晶面间距为0.253 nm，对应其(311)晶面。进一步在CFM表面生长花状MoS₂后，CFMM复合材料中MoS₂的(002)晶面间距为0.603 nm，证实成功构建了核壳结构。最终通过静电作用将CFMM与GO片层复合，形成稳定的CFMMG多级结构。XRD和XPS分析证实了各组分的存在及其化学状态，Fe 2p轨道在711.5 eV和724.7 eV的特征峰、Mo 3d轨道在228.8 eV和232.4 eV的特征峰等均为复合材料成功合成提供了有力证据。

电磁波吸收性能

通过测试复合材料的复介电常数和复磁导率，研究人员评估了其电磁波吸收性能。结果表明，CFMMG3复合材料在厚度为2.69 mm时，最小反射损耗达到-55.13 dB，有效吸收带宽为4.8 GHz。更令人印象深刻的是，在2.38 mm厚度下，最大有效吸收带宽可扩展至6.3 GHz，覆盖9.8-16.1 GHz频率范围。与文献报道的多异质界面材料相比，CFMMG3在反射损耗和吸收带宽方面均表现出显著优势，且填料负载量仅为30%，实现了轻量化高效吸波的目标。

性能提升主要归因于多组分协同效应：CoFe₂O₄作为磁损耗中心提供自然共振损耗，MoS₂和GO的引入不仅提高了材料电导率，还构建了丰富的异质界面，显著增强了界面极化损耗。独特的八面体结构还促进了电磁波在材料内部的多次反射和散射，进一步提高了能量耗散效率。

电磁参数与损耗机制

深入分析电磁参数发现，CFMMG复合材料的介电常数实部和虚部均明显高于单一组分材料，且随着GO含量的增加，介电损耗角正切值显著提高。在8-12 GHz频率范围内观察到的明显共振峰，归因于CFMM纳米颗粒与GO之间的强界面极化效应。磁损耗分析表明，材料中存在自然共振和交换共振等多种磁损耗机制，而非单纯的涡流损耗。特别值得注意的是，复合材料中观察到的负磁导率虚部现象，可能与磁组分产生的感应磁场方向与入射磁场相反有关。

Cole-Cole曲线分析进一步揭示了材料的极化弛豫过程。CFMMG复合材料表现出多个明显的Cole-Cole半圆，表明存在显著的界面极化弛豫。随着异质界面的增加，弛豫过程变得更加复杂，证明了多界面结构对增强极化损耗的重要贡献。

界面极化机制的理论研究

通过密度泛函理论计算，研究人员从电子结构层面揭示了异质界面的电荷转移行为。在CoFe₂O₄/MIL/MoS₂界面处，电子从CoFe₂O₄/MIL-101侧向MoS₂层迁移，形成内置电场，这种S型界面电荷分离有利于电磁辐射下有效偶极子的形成。态密度分析显示界面处费米能级存在非零态密度，表明异质结具有金属电子结构，界面处存在强电子相互作用。对于GO/MoS₂异质结构，电子从MoS₂层向GO层转移，由于GO中含氧官能团的高电子亲和性，使得GO成为电子受体，这种电荷转移行为显著增强了复合材料的界面极化能力。

电磁波吸收机制综合模型

研究最终提出了CFMMG复合材料的电磁波吸收机制综合模型：首先，MIL-101的特殊结构为电磁波传播提供了额外通道，其绝缘特性有助于构建导电-绝缘-导电材料体系，优化阻抗匹配；其次，CoFe₂O₄磁组分的引入不仅提供自然共振损耗，还进一步调节了整体阻抗匹配；第三，MoS₂的层状结构创造了大量异质界面，显著增强了界面极化效应，同时其片层结构促进了电磁波多次反射；第四，GO与MoS₂形成的导电网络诱导电流产生焦耳热耗散，其表面缺陷还引发偶极极化；最后，多种磁损耗机制包括涡流效应、交换共振等协同作用，共同实现了高效的电磁波能量耗散。

本研究通过巧妙的材料设计和多界面工程，成功开发出具有宽频带强吸收特性的电磁波吸收材料。CFMMG3复合材料在2.69 mm厚度下实现-55.13 dB的反射损耗，在2.37 mm厚度下获得6.3 GHz的有效吸收带宽，性能优于大多数已报道的多异质界面材料。理论计算与实验验证相结合，深刻揭示了多界面体系的电荷转移和极化增强机制，为设计高性能电磁功能材料提供了重要理论基础。这项研究不仅解决了实际应用中对宽频带强吸收材料的需求，还深化了对多界面系统中电磁波损耗机制的理解，在通信工程、电磁防护和隐身技术等领域具有广阔的应用前景。