【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孔杰教授、劉攀博副教授聯(lián)合武漢科技大學(xué)材料學(xué)部李享成教授在多功能材料方面取得新進(jìn)展，成功開發(fā)了空心碳微球吸波/防腐新材料，有望滿足熱帶海洋環(huán)境中電磁防御技術(shù)需求，研究成果以“Multifunctional Hollow Carbon Microspheres Enable Superior Electromagnetic Wave Response and Corrosion Barrier”為題在國際期刊Advanced Materials(2025, 2500646)上在線發(fā)表。
對(duì)于在海洋環(huán)境中服役的電磁波吸收涂層材料，高效電磁吸收和耐腐蝕性同等重要，不僅能顯著提高設(shè)備的隱身性能，還能夠有效保護(hù)基底免受侵蝕。磁/電復(fù)合材料具有阻抗匹配和多界面極化效應(yīng)，可通過多頻譜吸收實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電磁波吸收。然而，該材料長期暴露在鹽/堿環(huán)境中時(shí)仍難以實(shí)現(xiàn)吸波防腐一體化，裸露的磁性顆粒很易發(fā)生腐蝕/氧化，大大降低材料的鐵磁共振和電磁波吸收性能。
基于雙鈍化抗腐蝕效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)通過自犧牲模板輔助法制備了具有優(yōu)異電磁波吸收和耐腐蝕性能的空心碳微球(HCMs)。通過Zn微球還原特性和熱驅(qū)動(dòng)協(xié)同調(diào)控磁性微球的磁疇演變，優(yōu)化了異質(zhì)界面共振，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)磁耦合，使其最小反射損耗低于-4dB，有效吸收頻帶寬度大于5GHz。制備的HCMs表面呈電負(fù)性，可通過靜電排斥減少腐蝕離子(Cl-、OH-等)在基材表面的吸附/積累，有效降低導(dǎo)電能力，從而緩解腐蝕過程，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的防腐特性。另一方面，隨著浸泡時(shí)間的增加，磁性顆粒相繼轉(zhuǎn)化為層狀雙氫氧化物(LDHs)，通過強(qiáng)陰離子捕獲能力進(jìn)一步阻止腐蝕離子接近基底表面，從而實(shí)現(xiàn)長效防腐效果。
圖1 HCMs合成示意圖：Zn@MHNs形成(S1)，Zn@MHNs到Zn@ZIFs的轉(zhuǎn)變(S1)，Zn@ZIFs轉(zhuǎn)化為HCMs(S3)
首先以Zn球?yàn)槟０澹谙跛猁}溶液中利用Fe3+/Co2+/Ni2+離子的水解反應(yīng)在Zn球表面包覆一層金屬氫氧化物納米片(MHNs)；利用2-MeIM置換MHNs中的OH-離子，將MHNs轉(zhuǎn)化為沸石咪唑框架結(jié)構(gòu)(ZIFs)；最后通過調(diào)控煅燒溫度實(shí)現(xiàn)HCMs中磁疇結(jié)構(gòu)的演變。隨著煅燒溫度的升高，Zn球逐漸消失，最終形成具有空腔結(jié)構(gòu)的HCMs。當(dāng)煅燒溫度為600℃時(shí)，F(xiàn)e3+/Co2+/Ni2+離子很難被還原為磁性顆粒，因此HCMs-600具有Zn和ZnO相，ZnO的形成歸因于Zn顆粒的部分氧化；當(dāng)煅燒溫度為700℃時(shí)，ZnO相顯著增加，伴隨著Fe2C、CoO和NiO相的出現(xiàn)，表明磁性域開始形成；當(dāng)煅燒溫度為800℃時(shí)，Zn球的還原特性促進(jìn)CoO/NiO到Co/Ni的磁疇演化，Zn球的蒸發(fā)形成空心結(jié)構(gòu)，異質(zhì)界面和磁疇的共存有利于界面極化和磁耦合，從而增強(qiáng)電磁波耗散；當(dāng)煅燒溫度為900℃時(shí)，由于Fe2C相的(101)晶面能量較低，F(xiàn)e2C開始分解為金屬Fe，與Co和Ni形成FeCo/FeNi合金；當(dāng)煅燒溫度為1000℃時(shí)，熱驅(qū)動(dòng)促使FeCo和FeNi共熔形成FeCoNi合金。
圖2 材料復(fù)介電常數(shù)(a)、電導(dǎo)率(b)，HCMs-800和HC-900的RL值(c-d)和雷達(dá)截面(e-f)，雷達(dá)截面減少值(g)，電磁波吸收值(h)和電磁功率損失密度仿真(i)，HCMs-800的洛倫茲電子全息術(shù)(j-k)和磁耦合模型(I)
綜合考慮異質(zhì)界面和磁疇演變協(xié)同效應(yīng)對(duì)材料電磁波吸收性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煅燒溫度為800℃時(shí)，HCMs-800具有最優(yōu)的電磁波吸收性能，最小RL為-57.5 dB，有效吸收帶寬達(dá)到5.67 GHz。RCS模擬仿真表明，在入射角為20°時(shí)HCMs-800的最大RCS減小值高達(dá)36.9 dB m2。
圖3 HCMs在濃度3.5 wt%和1M的NaOH溶液中塔菲爾圖(a-c)和Nyquist圖(d-e)，HCMs的Zeta電位(f)，HCMs-900和HCMs-1000中的電荷轉(zhuǎn)移模型(g)，HCMs-900腐蝕后粉末的拉曼光譜(h)和XRD圖譜(i)，HCMs-900防腐行為(j)
在濃度3.5 wt% NaCl溶液和1M NaOH溶液中，HCMs-900和HCMs-1000在相對(duì)較低的腐蝕電流下具有更高的腐蝕電位，具有優(yōu)越的抗腐蝕能力。而相對(duì)于HCMs-1000，HCMs-900具有兩相晶界，電荷在轉(zhuǎn)移時(shí)被阻止，因此其阻抗半徑明顯較大，證明其導(dǎo)電能力降低，從而增加其腐蝕屏障。此外，長時(shí)間浸泡在鹽/堿溶液中，磁性顆粒會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)長DHs，該LDHs具有較強(qiáng)的陰離子捕獲能力，可進(jìn)一步阻止腐蝕離子與基底表面之間的接觸，從而實(shí)現(xiàn)良好防腐特性。
該項(xiàng)工作得到國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、NSFC聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目及校分析測試中心開放基金等資助。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉攀博為第一作者，孔杰、李享成和劉攀博為通訊作者。
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