當今社會已進入5G時代并邁向6G時代，以GHz電磁波為載體的通訊技術帶來了高效的信息傳輸。但由于電磁波的高能量密度，給各類電子設備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。由于5G設備的廣泛應用，特別是當5G設備擴展到復雜和極端的應用環境，包括海洋、酸雨和堿化學使用條件時，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、堿、中性腐蝕的輕質吸波材料以滿足高頻電子設備在復雜環境實用化的發展需求。本工作利用石墨的化學惰性特征，合成了輕質二維石墨片層負載石墨包裹軟磁合金納米膠囊的納米復合結構，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”發表于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。

論文鏈接：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納米膠囊的新型納米復合結構

2. 此結構在酸、堿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.此類納米復合結構具有良好的吸波特性，有效吸收帶寬（R≤-10dB）達到5.5 GHz

4.發現了介電-磁性復合結構取得優化吸波性能的填充比例規律

5.以當前體系為模型，提出了吸波性能優化策略，為調控結構與吸波性能優化關系提供系統研究思路。

中國科學院金屬研究所，沈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制備的二維石墨納米片負載Ni3Fe@C軟磁納米膠囊的電磁波吸收復合材料。僅30 wt%的二維納米復合結構即可獲得高達5.5 GHz的有效吸收帶寬，幾乎覆蓋了整個Ku波段。此類納米復合結構在酸、堿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，為復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。通過系統的結構調控得到優化的吸波性能，為吸波材料性能優化設計提供重要的思路。

Ⅰ雙功能防腐吸波二維納米復合材料制備

采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納米片負載Ni3Fe@C軟磁性納米膠囊的納米復合材料。制備過程見示意圖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）二維納米復合結構制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納米復合結構形貌

具有重疊褶皺邊緣的典型二維石墨納米片層負載直徑為20-100 nm的核殼結構的球形納米膠囊（圖2），其中外殼和內核分別為石墨和Ni3Fe（或FeNi）。隨陽極蒸發Fe含量增加，石墨納米片逐漸轉變為不規則形狀或者棒狀結構，這是由于除N催化作用外，增加的Fe含量對納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納米復合結構吸波性能

圖3，以二維介電石墨納米片為載體，負載軟磁Ni3Fe@C納米膠囊，可以實現良好的電磁匹配，進而獲得優異的吸波性能。通過調制復合材料中磁性成分比例，可以改善電磁匹配性能，使阻抗匹配度D 和衰減常數a 實現最佳協同，得到EMW 吸收的最優化性能（最大有效帶寬）。

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彩色映射表面圖，(j) S2 在 2 mm的 2D等高線圖，(k)四個維度雷達圖，(l) 帶寬比較圖。

Ⅳ雙功能防腐吸波二維納米復合結構腐蝕防護性能

圖4顯示，具備疏水性和化學惰性的納米石墨片層和納米膠囊的石墨外殼有助于二維納米復合結構在三種鹽溶液（酸、堿、中性）中表現出優異的耐蝕性。通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）進一步證明了這種納米復合結構的抗腐蝕特性。其耐腐蝕機制表現為納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，鹽霧試驗前后的（i）SEM和（j）Raman，（k）腐蝕保護機制示意圖。

本研究工作得到了科技部重點研發計劃（No. 2018YFF01013604）以及國家自然科學基金（No. 51871219, No. 52071324和No. 52031014）的資助與支持。

團隊簡介

馬嵩、張志東團隊長期從事納米復合吸波材料研究，在介電-磁性納米復合的磁性納米膠囊殼核結構合成與吸波性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及其合金為內核的磁性納米膠囊工作（Z. D. Zhang, J.Mater.Sci. Tech. 23 (2007), 1）。在吸波性能研究上，得到了石墨外殼調控Ni@C納米膠囊吸波性能（Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 083116），CoxNi100-x內核調控納米膠囊電磁匹配（Nanoscale 7 (2015) 17312），并誘發磁性內核自然與交換共振（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納米棒及空心碳納米管等納米吸波材料(Appl. Phys. Lett. 111 (2017) 223105，J. Mag. Mag. Mater. 502 (2020) 166518，Carbon 161 (2020) 252-258)，推動了納米吸波材料的研究進展。