室温原位法构建具有分级多孔MnFeCuCe@C复合材料

研究背景

在电磁波吸收领域，生物质纤维材料作为可持续原材料，被广泛用于制造轻质功能材料。源自生物质的碳材料保留了天然的形态特征，多孔结构、低密度、高比表面积和丰富的离域π电子等特性赋予其优异的灵活性和可扩展性，然而，其衍生碳纤维表面丰富的电子传输路径会导致严重的阻抗失配，大量入射电磁波被反射而非吸收，这限制了其在电磁波吸收中的应用。

战略性地设计负载高熵金属颗粒和碳纤维的异质结构能够提高碳纤维内的缺陷密度，从而增强复合材料的极化弛豫效应，能够达到电磁波吸收耗散的目的。传统的合成手段多采用水热法和激光辅助合成，但工艺复杂且原料产量低。并且基于天然纤维衬底可控设计具有磁电协同效应的金属碳材料仍然非常具有挑战性。因此，迫切需要开发一种绿色无污染、成本低以及工艺简单的合成策略。

研究意义

高熵多孔MnFeCuCe@C吸波材料的自组装

室温条件下，以去离子水作为溶剂，一维[Zn(pz)₂]_n配合物可快速在生物质棉表面生长，并且充当中间连接体将多元金属均匀负载在棉纤维表面，最后经高温热解处理得到MnFeCuCe@C复合材料。值得注意的是，碳化后的MnFeCuCe@C复合材料保持了原始中空纤维形态，且形成更多的缺陷态以及引入更多磁性单元，这种结构的演变有利于电磁波有效渗透到材料基体中，进一步通过磁电协同效应被大量耗散（图1），通过拉曼、吸附测试、傅里叶红外光谱以及X射线衍射图谱对其结构进行表征，证明MnFeCuCe@C复合材料的成功制备以及电磁调谐策略的可行性（图2）。

定制电磁响应模式的影响因素：碳化温度和金属含量

针对碳纤维自身高介电行为主导的阻抗不匹配问题。通过引入磁性元件，MnFeCuCe@C复合材料的介电参数得到有效抑制。高熵金属打破了高熵金属内部电荷分布的平衡，这种不均匀电荷分布可以诱导偶极子的定向排列，产生类似界面极化的介电特性。并且这一特性有助于合理分配MnFeCuCe@C材料的介电和磁损耗行为，（图3）。其次，为了深入分析决定定制电磁响应模式的关键触发因素，该团队尝试通过改变煅烧温度来探究MnFeCuCe@C复合材料的电磁波吸收特性差异。研究发现，煅烧温度通过影响金属原子的扩散和聚合，加强了缺陷部位周围偶极子的形成。同时，MnFeCuCe@C复合材料多重偏振弛豫机制被激活，导致额外的Cole-Cole半圆和延长的偏振弛豫时间（图4）。

MnFeCuCe@C纳米复合材料的实际应用评估

最后，该团队通过RCS仿真模拟软件对所得样品的电磁参数进行了模拟评估，MnFeCuCe@C-1000°C在15°处实现最大RCS值（31.72 dBm²），而MnFeCuCe@C-900°C在0°处RCS值最大 （15.14 dBm²）（图5），两种材料展现出优异的电磁衰减性能，使其适用于具有多样远场发射带的复杂雷达探测场景。

未来展望

超简易原位合成法促进了[Zn(pz)₂]_n配合物在棉纤维表面的生长。通过优化元素含量动态平衡和碳化温度，高熵金属颗粒有效解决了碳纤维基质中的阻抗不匹配问题。与此同时，对微观结构与电磁参数之间关系的深入研究表明，高熵纳米颗粒及MnFeCuCe/C异质界面的磁介质协同作用是高效EMW吸收的决定性因素。此外，雷达截面（RCS）模拟验证了MnFeCuCe@C吸波剂的实用性。从工业发展角度看，其快速合成、环境友好性和成本效益凸显了EMW吸收应用的巨大潜力，为设计先进电磁吸收器提供了深刻见解。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0868