當今社會已進入5G時代並邁向6G時代，以GHz電磁波為載體的通訊技術帶來了高效的資訊傳輸。但由於電磁波的高能量密度，給各類電子裝置中的靈敏元件和使用者帶來了嚴重的電磁干擾（EMI）及生物輻射問題。由於5G裝置的廣泛應用，特別是當5G裝置擴充套件到複雜和極端的應用環境，包括海洋、酸雨和鹼化學使用條件時，勢必會引發吸波材料與器件的腐蝕失效問題。在此背景下，急需開發一種具有同步抵抗酸、鹼、中性腐蝕的輕質吸波材料以滿足高頻電子裝置在複雜環境實用化的發展需求。
本工作利用石墨的化學惰性特徵，合成了輕質二維石墨片層負載石墨包裹軟磁合金奈米膠囊的奈米複合結構，有望實現吸波/多重防腐的雙功能一體化特殊用途。
本工作題目為“Bifunctional Two-DimensionalNanocomposite for Electromagnetic Wave Absorption and ComprehensiveAnti-corrosion”發表於Carbon（Carbon 186 （2022） 520-529）。第一作者為中國科學院金屬研究所 （中國科學技術大學材料科學與工程學院）2020級博士研究生李帥貞，通訊作者為中國科學院金屬研究所馬嵩研究員。
論文連結：
https：//doi。org/10。1016/j。carbon。2021。10。055
本文亮點
1。 在非平衡條件下合成宏量二維石墨片層負載Ni3Fe@C奈米膠囊的新型奈米複合結構
2。 此結構在酸、鹼和中性環境中均具有出色的防腐能力，系統分析其防腐機制
3。此類奈米複合結構具有良好的吸波特性，有效吸收頻寬（R≤-10dB）達到5。5 GHz
4。發現了介電-磁性複合結構取得最佳化吸波效能的填充比例規律
5。以當前體系為模型，提出了吸波效能最佳化策略，為調控結構與吸波效能最佳化關係提供系統研究思路。
中國科學院金屬研究所，瀋陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部，馬嵩、張志東團隊報道了一種可宏量製備的二維石墨奈米片負載Ni3Fe@C軟磁奈米膠囊的電磁波吸收復合材料。僅30 wt%的二維奈米複合結構即可獲得高達5。5 GHz的有效吸收頻寬，幾乎覆蓋了整個Ku波段。此類奈米複合結構在酸、鹼和中性腐蝕條件下基本保持原始微觀結構，表現出優異的綜合防腐能力，為複雜惡劣環境下的多功能電磁波吸收器件開發提供了新的材料選擇。透過系統的結構調控得到最佳化的吸波效能，為吸波材料效能最佳化設計提供重要的思路。
Ⅰ
雙功能防腐吸波二維奈米複合材料
製備
採用等離子體電弧蒸發技術，蒸發石墨和金屬混合陽極，引入C2H3N作為新型催化氮源，一步法原位獲得宏量
二維石墨奈米片
負載
Ni3Fe@C
軟磁性奈米膠囊的奈米
複合材料。製備過程見示意圖1，（其中，改變Fe和Ni比例，分別標記為樣品S1、S2、S3和S4）
圖1。（a）二維奈米複合結構製備過程和應用示意圖，（b）X射線衍射譜，插圖包括晶體結構和產率，（c）S1-S4的拉曼光譜。
Ⅱ雙功能防腐吸波二維奈米複合結構形貌
具有重疊褶皺邊緣的典型二維石墨奈米片層負載直徑為20-100 nm的核殼結構的球形奈米膠囊（圖2），其中外殼和核心分別為石墨和Ni3Fe（或FeNi）。隨陽極蒸發Fe含量增加，石墨奈米片逐漸轉變為不規則形狀或者棒狀結構，這是由於除N催化作用外，增加的Fe含量對奈米片結構形成的催化作用。
圖 2。 （a-b） S2 的SEM，（c-e） S2 的TEM，（f-h） S4 的TEM，（i-k） S3 的TEM。
Ⅲ雙功能防腐吸波二維奈米複合結構吸波效能
圖3，以二維介電石墨奈米片為載體，負載軟磁Ni3Fe@C奈米膠囊，可以實現良好的電磁匹配，進而獲得優異的吸波效能。透過調製複合材料中磁性成分比例，可以改善電磁匹配效能，使阻抗匹配度D和衰減常數a實現最佳協同，得到EMW吸收的最最佳化效能（最大有效頻寬）。
圖 3。 （a） 30 wt%時S1-S4和 （e） S2 在30 wt%-60 wt%的 RL，（b） S1-S4在30 wt%和 （f） S2在30 wt%-60 wt%下的EAB，（c）S1-S4在30 wt%和（g）S2在30 wt%-60 wt%下的阻抗匹配度D，（d） S1-S4在30 wt%和（h） S2在30 wt%-60 wt%下的衰減常數a，（i） S2的RL-f-d 的3D彩色對映表面圖，（j） S2 在 2 mm的 2D等高線圖，（k）四個維度雷達圖，（l） 頻寬比較圖。
Ⅳ雙功能防腐吸波二維奈米複合結構腐蝕防護效能
圖4顯示，具備疏水性和化學惰性的奈米石墨片層和奈米膠囊的石墨外殼有助於二維奈米複合結構在三種鹽溶液（酸、鹼、中性）中表現出優異的耐蝕性。透過在三種不同腐蝕環境中浸泡720h，測得動電位極化曲線和電化學阻抗譜，材料顯示出優異的耐蝕性，加速腐蝕實驗與鹽霧腐蝕實驗（>200天）進一步證明了這種奈米複合結構的抗腐蝕特性。其耐腐蝕機制表現為奈米石墨的表面疏水與化學惰性阻礙了腐蝕現象的產生，如圖4 （k）。
圖4。 （a） 三電極測試系統示意圖，（b） 動電位極化曲線和 （c） 三種腐蝕條件下的Icorr和 Rp，（d） OCP值的演變，（e） Nyquist圖，（ f）Bode圖和（g） 相位角圖，（h）等效電路，鹽霧試驗前後的（i）SEM和（j）Raman，（k）腐蝕保護機制示意圖。
團隊簡介
馬嵩、張志東團隊長期從事奈米複合吸波材料研究，在介電-磁性奈米複合的磁性奈米膠囊殼核結構合成與吸波效能研究上取得了很多重要成果，合成了大量石墨為外殼，軟磁Fe、Co、Ni及其合金為核心的磁性奈米膠囊工作（Z。 D。 Zhang， J。Mater。Sci。 Tech。 23 （2007）， 1）。在吸波效能研究上，得到了石墨外殼調控Ni@C奈米膠囊吸波效能（Appl。 Phys。 Lett。 101 （2012） 083116），CoxNi100-x核心調控奈米膠囊電磁匹配（Nanoscale 7 （2015） 17312），並誘發磁性核心自然與交換共振（Appl。 Phys。 Lett。 102 （2013） 223113）等工作。在此基礎上開發了具有抗高溫氧化的Fe3Si@C，SiC奈米棒及空心碳奈米管等奈米吸波材料（Appl。 Phys。 Lett。 111 （2017） 223105，J。 Mag。 Mag。 Mater。 502 （2020） 166518，Carbon 161 （2020） 252-258），推動了奈米吸波材料的研究進展。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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