碳包覆磁性納米粒子吸波機制及研究進展

李紅盛，吳愛民,*，曹 暾，黃 昊

（1. 大連理工大學 材料科學與工程學院，遼寧省能源材料及器件重點實驗室，遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 光電工程與儀器科學學院，遼寧 大連 116024）

1 前言

電磁波（Electromagnetic waves，又稱電磁輻射）是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。電磁波在真空中以光速（3×108m s?1）穩(wěn)定傳播，在全球無線通信、定位和檢測系統(tǒng)等領域的應用中占據(jù)了壓倒性的主導地位，使人類文明得以顯著發(fā)展。隨著5G時代的到來，高頻引入、硬件零部件升級、互聯(lián)網(wǎng)設備及天線數(shù)量的成倍增加，電磁干擾和輻射對電子設備的危害日益嚴重[1,2]。在軍事領域，美軍的F-117隱形戰(zhàn)斗機、B-2隱形轟炸機、U-2高空偵察機和“海影號”試驗船等先進軍事設備在戰(zhàn)爭中顯示出巨大的威力[3,4]。因此，尋求有效的手段降低和減弱電磁輻射在生活和軍事領域的危害具有重要的意義。

電磁波吸收材料能促使電磁能轉(zhuǎn)換為熱能或經(jīng)干涉相消而從根本上消除電磁波，具有較高的電磁波能量損失效率。隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這些材料已表現(xiàn)出許多先進的電磁功能，包括防止電磁污染和反雷達隱身。傳統(tǒng)的吸波材料中，炭材料因密度低、價格低廉、制備工藝簡單、性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點而備受廣大研究者青睞[1,5]。理想的吸波材料需要滿足“厚度薄、質(zhì)量輕、頻帶寬、吸收強”等特性。雖然炭材料作為吸波材料取得了一定進展，但在實際應用中仍存在吸收強度低、低頻吸收弱、吸收頻帶窄等缺點[6-8]。為了解決上述問題，炭材料吸波性能的改善圍繞以下三方面展開：（1）低維化方向。低維化材料的表面效應、小尺寸效應以及量子尺寸效應能夠獲得特殊的光、電、磁和吸收性能。它們的微波吸收性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，也有助于相對減輕其重量。（2）炭復合材料。炭材料與磁損耗材料復合，雙重損耗有助于材料性能的提升，同時各組分的協(xié)同作用可共同增強材料的電磁波衰減能力。（3）多結(jié)構(gòu)的炭材料。為了提高電磁吸收功能，對微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控與設計已成為一個強有力的研究方向。通過將其設計為不同尺寸的碳包覆結(jié)構(gòu)，其界面極化、傳導網(wǎng)絡、磁耦合、磁介電協(xié)同等組合效應可有效提升電磁波的吸收性能。

本文首先總結(jié)并探討了電磁波的吸收機制和相關(guān)理論模擬計算公式，簡要介紹了碳包覆磁性納米粒子主要制備與改性方法，重點探討了不同類型碳包覆磁性納米粒子，包括碳包覆鐵、碳包覆鎳、碳包覆鈷以及碳包覆多合金納米粒子等微波隱身材料的研究進展。最后，本文針對碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料應用提出了相應的建議，并對其未來研究發(fā)展方向進行了展望。

2 電磁波吸收機制

電磁波吸收材料是指當電磁波入射到材料表面時，能有效地吸收雷達波，從而使目標的回波強度減小的一類功能性材料，電磁波傳播與損耗路徑如圖1所示。因此吸波材料吸收電磁波的兩大基本條件是[9,10]：（1）電磁波入射到材料表面時，能最大限度地進入材料內(nèi)部，即要求材料具有匹配特性。（2）進入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地從電磁能轉(zhuǎn)化為熱能或者其他形式的能量而損耗掉，即要求材料具備損耗特性。

電磁波在介質(zhì)中的傳播行為可以簡化為表面反射、內(nèi)部衰減和透射的結(jié)合。對于負載均勻吸波劑的理想金屬導體，其透射率（T）為零。吸波材料的發(fā)射率（R）、吸收率（）以及反射損耗（RL）可以通過傳輸線理論來進一步分析計算。假設平面電磁波沿Z軸方向垂直入射在單層介質(zhì)層表面時，反射功率系數(shù) Γ為[11]：

傳輸線的輸入阻抗Zin為：

Zin(0)為金屬基板與電磁波吸收材料之間的輸入阻抗，Zin(0)=0；Zc代表電磁波材料的特性阻抗，γ是電磁波在材料內(nèi)部的傳播常數(shù)，α是衰減常數(shù)（Np m?1），β是相位常數(shù)（rad m?1），d為吸波材料的厚度（mm）。其中[12]：

Z0為自由空間的特性阻抗（Ω），，ε0=8.854×10?12F m?1，μ0=4π×10?7H m?1。ε，μ，εr，μr分別為絕對介電常數(shù)，磁導率和電磁波吸收材料的相對介電常數(shù)（εr=ε′?jε′′）、相對磁導率（μr=μ′?jμ″）。c為光速（3×108m s?1）。若改善材料的吸波特性，應從匹配程度與損耗程度來分析。衰減常數(shù)α為：

材料的反射損耗計算公式為：

結(jié)合公式（5）、公式（6）以及電磁波吸收材料的電磁參數(shù)，可以模擬優(yōu)化不同厚度下吸波材料的吸收波段以及隱身特性。

3 碳包覆磁性納米粒子制備技術(shù)

近年來，隨著微波吸收材料在GHz波段受到越來越多的關(guān)注，其制備方法與制備技術(shù)也層出不窮。主要有熱弧等離子體納米粉體制備技術(shù)、水熱合成法、MOFs衍生法以及溶膠凝膠法等。

3.1 熱弧等離子體納米粉體制備技術(shù)

熱弧等離子體納米粉體制備技術(shù)可用于碳基磁性納米復合材料的物理合成，也是較早發(fā)現(xiàn)碳包覆復合結(jié)構(gòu)材料的方法，通過控制兩電極之間的距離、電壓電路大小和氣氛比等條件，調(diào)整納米粒子的生成狀態(tài)。其可控性高、樣品純度高、分散性好，但存在著合成參數(shù)多、產(chǎn)量低等缺點，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。經(jīng)多年探索，Huang等已能制備出多種均勻碳包覆磁性納米粒子C@Fe、C@Ni、C@SiC@Ni以及C@Sn等[13,14]，微觀結(jié)構(gòu)如圖2（a-d）所示。在系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，不同種類的納米粒子有其特定的微波吸收頻段。隨著制備設備與技術(shù)的不斷改進，Wu等[15]采用電弧放電法制備了碳涂層鎳納米膠囊，并通過改變電流大小探究粒徑對磁性和微波吸收性能的影響。

3.2 水熱合成法

水熱法屬于液相化學法的范疇，最早在19世紀中葉水熱合成理論之上展開了水熱法對功能材料的探究。水熱合成法制備樣品分散性好、粒子純度高且形貌易于控制，水熱反應的均相成核及非均相成核機理與固相反應的擴散機制不同，因而可制備多種形貌的碳包覆磁性納米粒子。同時水熱法可直接制備晶體良好的粉體，簡化高溫和球磨處理，避免了該過程下的粉體硬團聚、雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷。但水熱法制備的復合材料需要特定溫度及壓力條件，用于碳基磁性納米復合材料的規(guī)?；a(chǎn)難度大。水熱法被廣泛報道用來制備多種炭基復合材料，如C@Fe，C@Co單金屬納米粒子[16,17]，C@Fe@Fe3O4[18]，C@NiCo2O4復合材料[1]，C@Fe3C異質(zhì)結(jié)構(gòu)[19]，C@MoS2納米結(jié)構(gòu)[20]等。同時也可制備多種形貌結(jié)構(gòu)，如海膽狀復合材料[1]，納米空心球[21]、納米鏈[22]以及納米花[23]等結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3.3 溶膠凝膠法

溶膠-凝膠法是二十世紀中葉之后發(fā)展起來的一種制備無機材料的工藝，能夠制備多種碳基納米復合材料。1846年，法國化學家J. J.Ebelmen將乙醇與SiCl4均勻混合后[24]，在濕空氣中發(fā)生水解并形成了凝膠。溶膠凝膠法可使反應物在分子水平上被均勻混合和摻雜，利于化學反應的進行，產(chǎn)物粒徑小且具有較高的磁學性能，但通常溶膠-凝膠過程周期較長，操作復雜且成本較高。八十年代以來，在電磁波吸收材料，氧化物涂料、功能陶瓷粉料以及傳統(tǒng)方法制備困難的復合氧化物材料上均有廣泛的應用和研究。

3.4 MOFs衍生法

金屬有機骨架化合物MOFs是由無機金屬中心（金屬離子或金屬簇）與橋連的有機配體通過自組裝相互連接，形成的一類具有周期性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料[26]。MOF衍生法制備復合材料制備過程簡單，復合材料可具備多種特定的骨架架構(gòu)和特殊的孔結(jié)構(gòu)，有利于電磁波實現(xiàn)多重反射與散射。近年來在電磁波吸收領域，MOFs衍生法制備碳包覆磁性復合材料憑借其兼容的電磁雙損機理以及低密度等優(yōu)點在電磁吸收領域逐漸進入人們的視野。杜耘辰教授課題組報道了優(yōu)化和調(diào)控MOFs衍生碳包覆磁性復合材料電磁吸收劑組分和微結(jié)構(gòu)的策略主要包括熱解雙金屬MOFs[27]、引入額外的磁性/碳組分[28,29]、化學刻蝕[30]、模板介導組裝[31]、界面離子交換[32]以及異質(zhì)層包覆[33]等，材料結(jié)構(gòu)如圖4所示。但是目前MOF衍生法在吸波行業(yè)新興起研究熱潮且研究及實際應用制備碳基磁性納米復合材料的實例較少。

4 碳包覆磁性納米粒子的種類及研究進展

由于炭材料具有良好的介電性能、較低的比重、特殊的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，在電磁波吸收領域有著深遠的應用前景，目前研究較熱的有石墨烯、碳納米管、多孔炭材料、泡沫炭等。但單一炭材料介電常數(shù)較大，不利于阻抗匹配，吸波性能較差，同時炭材料作為納米材料之間的團聚程度高，難以均勻分散在基體當中。利用碳基復合材料調(diào)節(jié)其電磁參數(shù)，提高阻抗匹配特性并改善分散性，有望獲得高效、輕質(zhì)的電磁波吸收材料。Wang等[34]為了克服石墨烯易團聚和阻抗匹配差等問題，基于還原氧化石墨烯（rGO）和無定形炭球（ACMs）制備了夾層狀石墨烯基復合材料。Wang等[35]通過簡單的水熱法成功合成了包裹多壁碳納米管的空心立方體ZnSnO3復合材料（ZSO@CNTs），ZSO@CNT-130 °C復合材料在13.5 GHz時，最大反射損耗可達?52.1 dB，并在厚度僅為1.6 mm時，吸收帶寬可達3.9 GHz。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異的微波吸收性能歸因于極化，傳導損耗和特殊空心籠結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應。Xu等[36]采用熱解和蝕刻法合成具有獨特內(nèi)部空隙和介孔殼的類紅細胞結(jié)構(gòu)-介孔碳中空微球（RBC-PCHMs）。復合材料在填充度僅為10%時，在X波段（8～12 GHz）表現(xiàn)出的有效吸收帶寬（反射損耗小于?10 dB）大于3 GHz。極化損耗隨著溫度的升高而降低，而導電損耗卻相反，證明在一定溫度下有利于阻抗匹配性能的提高。近年來在炭材料中引入磁性吸收劑，通過多維結(jié)構(gòu)和多重電磁損耗機制改善其吸波性能，是提高吸波性能的有效途徑。磁性納米金屬吸波材料（如Fe、Co、Ni及其合金FeCo、CoxNi1-x、FeCoNi等）晶體結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的飽和磁化強度和磁導率，從而表現(xiàn)出較強的磁損耗，但是磁性顆粒密度大，易發(fā)生氧化且趨膚效應明顯。大量研究表明，磁性顆粒表面包覆炭材料形成核殼結(jié)構(gòu)可有效改善磁性金屬的分散性和電磁特性，能夠緩解磁性顆粒密度大的劣勢并調(diào)控電磁參數(shù)，同時異質(zhì)結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生多重界面，介電損耗和磁損耗的雙重作用可有效增強電磁波吸收。

4.1 碳包覆鐵納米粒子（C@Fe）

作為最常用的過渡金屬元素之一，鐵元素（Fe）因優(yōu)異的磁響應特性而被廣泛應用于電磁波吸收領域。研究表明，結(jié)合磁性組分構(gòu)建C@Fe復合材料是提高磁損耗、改善阻抗匹配、拓寬吸收帶寬、增強吸收強度的有效途徑之一。Zhang等通過熱弧等離子納米粉體制備技術(shù)已經(jīng)成功制備C@Fe納米粒子[37]，如圖5a所示，在3.2～18 GHz波段之間表現(xiàn)出較寬的吸波頻帶（RL＞?20 dB）和較強的吸收強度（?43.5 dB，圖5b），優(yōu)良的微波吸收特性主要是因為微觀結(jié)構(gòu)中適當?shù)碾姶牌ヅ?、較強的自然共振以及“核/殼”界面的多極化。Liu等[38]詳細研究了石墨炭層對Fe納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和電磁特性的影響，形貌結(jié)構(gòu)如圖5c。發(fā)現(xiàn)石墨層可以幫助Fe/C納米膠囊穩(wěn)定地存在于220 °C的空氣中，而純Fe顆粒在90 °C時就會發(fā)生氧化。石墨殼中存在大量缺陷，有助于增加磁/介電損耗和衰減常數(shù)，F(xiàn)e/C納米膠囊在10.8 GHz，反射損耗達到?33.1 dB。

C@Fe復合材料還可以通過高溫燃燒前驅(qū)體獲得，F(xiàn)e納米粒子在高溫下對C具有催化石墨化作用[39]，使得石墨層包覆在Fe納米粒子上更為容易，核殼結(jié)構(gòu)既可以有效緩解金屬粒子的氧化，也可以進一步改善復合材料的介電損耗特性，減少渦流損耗對磁導率的影響，從而得到優(yōu)異的電磁波吸收材料。Qiang等[39]利用普魯士藍(Prussian blue，PB)為前驅(qū)體，PB經(jīng)炭熱還原得到Fe/C復合材料。證明磁性組分均勻分布的Fe/C復合材料可有效減少電磁波吸收盲區(qū)，并具備良好的電磁波衰減特性和阻抗匹配（圖5d），表現(xiàn)出超寬的吸收頻帶(7.2 GHz，10.8～18.0 GHz)。Wang等[40]利用靜電紡絲制備Fe/C納米纖維，提高了Fe納米顆粒的抗氧化性并降低了材料的密度，在2.2～13.2 GHz范圍內(nèi)獲得良好的吸波性能，在低頻4.2 GHz波段得到最大反射損耗值?44 dB。為增強C@Fe復合材料綜合電磁波吸收能力，也有研究報道多種結(jié)構(gòu)以及多制備方式，以期利用多組分的協(xié)同作用增加材料的吸波特性。

4.2 碳包覆鎳納米粒子（C@Ni）

金屬鎳（Ni）在低頻S波段（2.0～4.0 GHz）、C波段（4.0～8.0 GHz）以及Ku波段（12.4～18.0 GHz）都表現(xiàn)出較為出色的電磁波吸收性能[41,42]。但是單金屬Ni的渦電流對磁導率的弱化較嚴重，有研究者通過設計復雜結(jié)構(gòu)的鎳材料降低渦流效應對電磁波的影響，特殊結(jié)構(gòu)的Ni材料由于制備過程復雜，有效吸收波段也受限，影響進一步的應用和發(fā)展。在此背景需求下，Zhang及其合作者成功制備了C@Ni納米膠囊[43]，納米膠囊在基體中均勻分散，能夠降低納米粒子間的磁耦合效應，增加納米粒子的有效表面各向異性，構(gòu)建納米尺度幾何中的電磁匹配以改善電磁特性。在厚度2 mm下，C@Ni納米膠囊在13 GHz下表現(xiàn)出最佳的反射損耗值?32 dB。同時研究也表明，碳包覆鎳核殼型復合材料既實現(xiàn)了多組分復合提高電磁波吸收和損耗的能力，也有效緩解了單金屬Ni粒子在空氣中嚴重氧化的現(xiàn)象[44-46]。

大量學者也探究了不同結(jié)構(gòu)下的碳包覆鎳復合材料的吸波性能的變化。Cheng等[47]通過化學法制備了六邊形和面心立方的Ni/石墨烯復合材料，證明Ni/石墨烯納米復合材料的微波吸收性能明顯強于單金屬Ni納米結(jié)構(gòu)。Ni/石墨烯納米復合材料在中低頻（2.0～10.0 GHz）下表現(xiàn)出顯著的電磁性能。Liu等[48]通過Ni金屬有機框架為前驅(qū)體制備了Ni@C納米球，研究了熱解溫度對電磁性能的影響。當熱解溫度為700 °C時，最大反射損耗達到?73.2 dB（12.3 GHz），結(jié)果表明，其獨特的分層結(jié)構(gòu)和核殼結(jié)構(gòu)協(xié)同地使復合材料具有良好的匹配阻抗特性，對入射電磁波具有較強的衰減能力。Wu等[15]在納米復合材料制備過程中，通過控制電流大小調(diào)整Ni@C納米膠囊的粒徑大小。隨著電流增加，納米膠囊的平均粒徑從25到53 nm均勻增加，C殼的厚度保持獨立性?；旌狭似骄綖?5 nm的Ni@C納米膠囊，在11.6 GHz時表現(xiàn)出?32 dB的最佳反射損耗值。隨著Ni@C納米膠囊粒徑的減小，復合材料的反射損耗的峰值轉(zhuǎn)移到較低頻率且有效吸收帶寬從5.8 GHz增加到11.7 GHz。同時，更多種結(jié)構(gòu)的Ni@C納米花[29]、納米片[49]、納米鏈[46]等也被不斷深入的研究和探索，來調(diào)節(jié)匹配介電損耗和磁損耗能力以增強復合納米材料的綜合電磁波吸收能力。

4.3 碳包覆鈷納米粒子（C@Co）

除金屬Fe、Ni外，金屬鈷（Co）元素也是常見的磁損耗金屬材料，Co具有較高的飽和磁化強度（Ms）和各向異性場（K）[50,51]。然而，由于缺乏介電損耗和阻抗匹配，吸收體要同時擁有高強度和寬頻帶吸收仍然是一個重大挑戰(zhàn)。Zheng等[52]發(fā)現(xiàn)，相對于單金屬元素Co，C@Co納米復合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的矯頑力（772 Oe）和微波吸收特性，進一步證明了矯頑力的提高可有效緩解復合材料中渦流效應。單金屬Co的吸收頻帶相對較窄，這與其導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)所形成的渦電流有關(guān)[53-56]，因此更多學者將目光轉(zhuǎn)向C@Co復合材料。Huang等具備了較為成熟的C@Co納米粒子制備技術(shù)[13]（圖6a），納米C@Co粒子的直徑約為20～30 nm。C@Co納米粒子微波吸收特性相對較弱，在復合材料為3.1 mm時，在低頻波段4.8 GHz最佳反射損耗為?8.5 dB。電磁波吸收特性主要歸因于微觀結(jié)構(gòu)的適當電磁匹配，強大的自然共振以及多極化機制配合等。

采用不同的制備合成方法，可得到納米片狀、球形、空心微球及花瓣狀[57-60]等微觀結(jié)構(gòu)的吸波材料。多種形貌結(jié)構(gòu)的碳包覆鈷納米粒子也展示出較好的吸波特性。Wen等[61]通過合理調(diào)節(jié)雙金屬MOFs的生長和熱解過程，成功制備了新型分層結(jié)構(gòu)Co@CNTs復合材料，Co納米顆粒引起的磁損耗可以改善阻抗匹配，Co@CNTs-2復合材料擁有的最大反射損耗值達到?76.7 dB（圖6b），有效吸收波段達6.2 GHz，證明了不同長度和密度的碳納米管與金屬材料復合的傳導損失和孔隙率的共同作用是導致電磁波衰減的主要原因。Qiang等[62]利用MOF衍生法制備了多面體結(jié)構(gòu)Co/C復合材料，主要由無定形碳骨架構(gòu)成，如圖6c所示。當吸收劑厚度為2.0 mm時，Co/C復合材料的有效帶寬達3.8 GHz（10.7～14.5 GHz），最大反射損耗為?32.4 dB。復合材料優(yōu)異的吸波性能得益于其特殊的微結(jié)構(gòu)和多重界面弛豫過程。Liu等[63]利用電弧放電法制備了Co/C納米粒子，飽和磁化率和矯頑力分別為159.9 emu g?1和275.7 Oe，最小反射損耗值為?43.4 dB（圖6d），證明較低石墨化程度的碳組分更加有利于電磁波吸收。

4.4 碳包覆磁性合金納米粒子

碳包覆單組分磁性納米復合材料雖然研究成果較多，但隨著5G通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，還無法全方位的滿足高頻、大帶寬對吸波材料的高性能需求，即“薄、輕、寬、強”。綜上，相比碳包覆單組分磁性納米粒子，碳包覆磁性合金納米粒子能夠展現(xiàn)出較強的自旋極化耦合和電子轉(zhuǎn)移特性，在吸波領域表現(xiàn)出更大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間。同時，磁性合金納米粒子與炭材料復合同樣能夠防止合金氧化，降低渦流效應。目前的研究主要集中于C@CoFe[64,65]、C@CoNi[66-69]、C@FeNi[70-72]以及C@FeCoNi[73,74]等不同形貌的碳復合多組分磁性金屬等復合材料方面。Liu等[75]通過簡單的一步溶劑熱處理，制備了一系列具有不同表面形態(tài)的Co20Ni80合金層次結(jié)構(gòu)，包括花狀、海膽狀、球狀和鏈狀形態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)如圖7a所示，海膽狀Co20Ni80分層結(jié)構(gòu)的微波反射損耗在3 GHz時達到?33.5 dB（圖7b）。Ouyang等[73]采用MOFs衍生方法制備了空心球狀三金屬合金FeCoNi@C吸波材料，所制樣品在厚度為2.1 mm和3.1 mm時，可以實現(xiàn)Ku和X波段的充分吸收。在700 °C的退火溫度下，復合材料最小反射損耗值在5.52 GHz處達到?69.03 dB，如圖7c所示。中空多孔結(jié)構(gòu)可以多次反射和散射電磁波，增加傳播過程中的能量損耗。同時，在交變的電磁場中，導電的FeCoNi納米顆粒和無定形碳之間的電子轉(zhuǎn)換和遷移將共同形成一個高導電的網(wǎng)絡，這有助于傳導損耗機制（圖7d）。Wang[6]等對異質(zhì)結(jié)構(gòu)NiCo-LDHs@ZnO納米棒進行熱處理，得到了NiCo@C/ZnO復合材料。在介電損耗和磁損耗的協(xié)同作用下，在2.3 mm的匹配厚度下，可以實現(xiàn)出色的吸收性能，反射損耗為?60.97 dB（圖7e）。為層狀雙氫氧化物在微波吸收材料領域的開發(fā)和利用提供了參考，也為層狀結(jié)構(gòu)吸收體的設計提供了思路。同時，為了致力于節(jié)能減排的核心理念，Zhao[66]利用活性竹纖維和CoNi-MOF合金成功制備了竹纖維/鈷鎳合金，在11.12 GHz的最大反射損耗達?75.19 dB，吸收性能歸功于活性竹纖維的孔隙率增加，將導致電荷極化和多層界面極化。同時，添加的磁性金屬將進一步改善多極化、磁損耗和阻抗匹配。表1匯總了不同碳包覆磁性納米粒子吸波性能對比表。

除常見吸波金屬材料Fe、Co、Ni外，近年來，其他一些復合金屬材料，如C@CoZn[76]、碳包覆磁性氧化物C@NiCo2O4@Fe3O4[1]、Carbon Fibers/FeCo/CuO[77]、SnO2/Co3Sn2@C[78]、ZnFe2O4@Carbon@MoS2/FeS2[22]、半導體材料Graphene/SiC[79]也被紛紛研究并報道。研究結(jié)果表明，在2～18 GHz的頻率范圍，各類納米復合粒子具有不同的吸收頻段及表面特性，都表現(xiàn)出較好的電磁波吸收性能。最近作者利用熱弧等離子體納米粉體制備技術(shù)合成了一系列Ni@SiC@C雙殼納米粒子[14]。發(fā)現(xiàn)核心Ni、介電材料SiC和石墨C的作用本質(zhì)上增加了納米粒子中的偏振源，導致出色的復介電常數(shù)和高反射損耗。Ni@SiC@C雙殼結(jié)構(gòu)相當于電容Cp和電阻Rp，作為并聯(lián)電路制造界面極化。證實了對微波吸收和衰減有利的構(gòu)象是來自并聯(lián)電路的界面極化、介電材料C-SiC殼的偶極極化和磁性納米粒子的自然共振。而通過調(diào)控殼層的厚度，可以有效增加界面極化位點并進一步改善全波段（0.1～18 GHz）的電磁波吸收特性。研究表明這種復合材料優(yōu)異的電磁波吸收性能歸因于獨特的電容器結(jié)構(gòu)、多元件的協(xié)同耦合效應以及最佳的阻抗匹配。因此，Ni@SiC@C雙殼納米粒子有望成為一種在多個頻率范圍內(nèi)具有強吸收能力的新型微波吸收材料。

表 1 不同碳包覆磁性納米粒子吸波性能對比表Table 1 Comparison of electromagnetic wave absorption performance of different carbon-coated magnetic nanoparticles.

當前碳包覆磁性納米粒子在提高吸波性能、拓寬吸收頻帶上取得了一些積極的進展和突破，但是仍然存在一些問題：（1）碳包覆磁性納米粒子在復合形式上，改進傳統(tǒng)復合模式、構(gòu)筑多維空間結(jié)構(gòu)復合吸波材料以增加電磁波損耗機制、增強電磁波損耗能力方面有待進一步研究。（2）雖然碳包覆磁性納米粒子在一定程度上降低了復合吸波劑的填充密度，但是“輕”的問題并沒有完全解決。（3）在復合材料吸波性能綜合設計方面的系統(tǒng)理論研究不夠深入，研究大都處于實驗室研究階段，未獲得廣泛的實用和實質(zhì)性的突破。因此許多學者也是基于碳包覆磁性納米粒子結(jié)構(gòu)，對其進行了深入探索。Wang等[80]把MOF衍生法制備的FeCo@C納米粒子限域在碳納米籠里，碳納米籠的形成可抑制FeCo PBAs在高溫熱解過程中的微觀結(jié)構(gòu)塌陷并能增強FeCo@C復合材料的阻抗匹配與介電損耗能力。Liu等[81]以金屬-有機骨架為前驅(qū)體，在B，N-共摻雜空心碳多面體上制備了核殼CoNi@石墨碳，復合吸波材料最佳反射損耗達?62.8 dB，有效吸收帶寬為8 GHz。因此，為兼具“薄、輕、寬、強”的特性且能在全波段（2～28 GHz）實現(xiàn)有效吸收（RL＜?10 dB），碳包覆磁性納米粒子未來還有較大的研究價值與發(fā)展前景。

5 碳包覆磁性納米粒子的應用前景與發(fā)展趨勢

在5G電子通訊設備不斷更新?lián)Q代的局勢下，碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料的不斷發(fā)展也勢在必行。但是在全波段隱身、吸波強度、材料厚度以及密度等方面依舊不盡人意，無法與飛速發(fā)展的現(xiàn)代環(huán)境相匹配。所以，為了進一步提高碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料的吸波性能，通過對炭材料和磁性納米粒子進行成分、結(jié)構(gòu)、形貌、組成、處理方式等調(diào)控手段來構(gòu)建不同高性能的電磁波吸收復合材料。新材料的研發(fā)、新工藝的設計與開發(fā)也必將是吸波材料日后的研究熱點和重點。碳包覆磁性吸波隱身材料必將朝著納米化、復合化、多功能化和高應用性等全方位發(fā)展。吸波材料也必將朝著“薄、輕、寬、強”的綜合性方向發(fā)展。因此，碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料還可以從以下幾個方面不斷拓展延伸：

（1）理論突破：突破傳統(tǒng)物理機制的理論限制，能夠從基礎理論方面詮釋相關(guān)技術(shù)難點，分析碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料的本征吸收與隱身機理。從成分、維度、尺度、微觀結(jié)構(gòu)等方面建立與電磁波吸收之間的關(guān)系。

（2）儀器表征：研發(fā)能夠直接表征納米粒子微波隱身材料磁、電之間關(guān)系的設備儀器，使全波段下“電磁場、微觀結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換”等因素之間的關(guān)系清晰透明化，讓電磁波吸收機理的分析更加清晰化、通俗化、多元化。

（3）利用模擬軟件調(diào)控電磁參數(shù)，反向設計復合材料：目前以實驗為主的試錯法來優(yōu)化電磁波吸收復合材料的結(jié)構(gòu)和性能，效率低下，亟需發(fā)展通過理論計算優(yōu)化電磁波吸收復合材料的新方法。通過調(diào)整復合材料的介電常數(shù)與磁導率，建立吸波材料的電磁仿真模型，依據(jù)波段隱身需求，能夠反向計算并模擬隱身性能，簡化復合材料制備過程，達到高效隱身的效果。

（4）多頻段隱身：隨著多頻譜探測威脅的日益嚴峻，現(xiàn)役材料越來越難以滿足隱身性能要求。目前研究者對于電磁波吸收的研究大多集中在2～18 CHz波段，然而隨著米波和毫米波探測技術(shù)的不斷發(fā)展，復雜環(huán)境對電磁波吸收材料的多頻段吸收提出更加苛刻的要求。因此，碳包覆磁性納米吸波隱身材料應兼具對米波、厘米波、紅外光和激光等多波段的兼容隱身。

（5）材料復合化：低維化材料有利于電磁波吸收材料實現(xiàn)輕量化，在低維化方向發(fā)展的大趨勢下，后續(xù)的研究主要集中在成分復合與結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。成分復合趨向于碳包覆磁性多組元納米粒子，豐富磁損耗隱身機理；結(jié)構(gòu)優(yōu)化趨向于多層核殼結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、梯度層狀結(jié)構(gòu)以及鏈狀結(jié)構(gòu)等多種復合型結(jié)構(gòu)，能夠更好的解決阻抗匹配和電磁損耗的問題，獲得寬頻帶的吸波材料。

（6）多功能化：隨著5G、6G通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，單一功能的吸波材料難以滿足軍事科技的發(fā)展，新型碳包覆磁性納米粒子也需要滿足和實現(xiàn)不同環(huán)境下的要求，例如耐高溫、耐腐蝕、高力學性能與高韌性、超疏水性、綠色、環(huán)保和價格低廉等都將成為未來碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料不斷發(fā)展的方向，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能一體化的全方位發(fā)展。

（7）實際應用性：目前文獻研究中的吸波隱身材料和反射損耗多是基于傳輸線理論進行的模擬計算。且現(xiàn)役戰(zhàn)機中，例如美國的F-22，F(xiàn)-35戰(zhàn)機等在高強度飛行過程中多面臨隱身涂層破裂、剝落的情況，機體的維修以及涂層的維護都耗時耗費，因此后續(xù)研究應基于碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料在現(xiàn)役隱身涂層領域中的實際問題展開，不斷提高現(xiàn)役隱身材料的實際應用性能。

6 結(jié)論

綜上所述，單一型吸波材料的損耗機制單一，阻抗匹配較弱，無法滿足不斷提升的電磁波吸收要求。碳包覆磁性納米顆粒研究重點是豐富復合材料的成分、優(yōu)化吸波材料的結(jié)構(gòu)，使其磁性材料的磁損耗與炭材料的介電損耗共同作用，優(yōu)勢互補，相互平衡并協(xié)調(diào)。并通過優(yōu)化復合吸波材料成分組成與微觀結(jié)構(gòu)等控制材料的介電常數(shù)和磁導率使其具有優(yōu)異的阻抗匹配特性和衰減特性，從而制備出具有良好電磁吸收性能的復合材料。除此之外，隨著對碳包覆磁性納米粒子微波隱身材料的不斷深入研究，將在電磁波吸收領域展現(xiàn)出更加廣泛的應用前景。

致謝

感謝中央高?；究蒲袠I(yè)務費(DUT20LAB123和DUT20LAB307)；江蘇省自然科學基金(BK20191167)。