纳米磁性金属及其复合材料的设计合成和吸波规律

Because of the rapid development of electronics industry and increasingly tense international situation, it becomes urgent to design and fabricate highly effective electromagnetic wave absorbers to resolve the consequential electromagnetic pollution (interference) and improve the stealth technique in military fields. This project will aim at the controllable synthesis of nanostructured magnetic metals by adjusting synthetic parameters and chemical composition in the process of chemical reduction or gamma-ray irradiation, and systematically investigate the effects of morphology, size,chemical composition, and hierarchical structure on the electromagnetic properties of nanostructured magnetic metals. Guided by the above results and mechanism exploration, nanostructured magnetic metals with unique hierarchical structure and improved microwave absorbing properties will be obtained by rational design. To further enhance the microwave absorbing properties, composite absorbing materials will be prepared by coating nanostructured magnetic metals with carbon materials, conductive polymers, and metal oxides. The resulted composite materials will have matched permittivity and permeability, excellent frequency response, and highly effective microwave absorption in the frequency range of 1-18 GHz. With the assistance of computational chemistry and transmission model of electromagnetic waves, the absorbing mechanism of composite materials will be investigated through careful analysis of the structure, component, and electromagnetic properties. Completion of this project will produce some novel theoretical achievements for the design and synthesis of light weight and highly effective microwave absorbing materials,novel absorbing materials with independent intellectual property, and enahnced competitive strength of our country in military stealth technology.

面对高速发展的电子工业和日趋紧张的国际形势，迫切需要研发高效的电磁波 吸收材料来解决电磁污染（干扰）问题和推动军事隐身技术。本项目拟采用化学还原和辐射还原两种方法，通过对纳米磁性金属制备工艺参数和化学组成的调控，实现对纳米磁性金属的可控制备，并系统研究产物形貌、尺度、化学组成、分级结构与电磁性能之间的关系，揭示其中规律，实现特定结构纳米磁性金属的设计合成与功能增强。采用碳材料、导电聚合物、金属氧化物等对其进行表面修饰，优化电磁性能，达到介电常数与磁导率相匹配、微波电磁参量响应特性良好，以获得在1-18 GHz宽频范围内具有高效吸波性能的复合材料。通过对复合材料结构、组成及电磁性能的系统研究，并结合有效的计算化学手段及电磁波传播理论和模型，探索复合材料的吸波规律，为高效吸波材料的研制提供一定的科学依据，力争得到自主知识产权的新型吸波材料，同时提升我国在军事隐身领域的竞争实力。

本项目按研究计划进行，完成了所有研究内容，达到了既定研究目标。项目从磁性金属的合成入手，通过对制备工艺的优化与调控，成功制备了一系列具有高效电磁波吸收性能的磁性金属材料。并通过表面修饰和原位热解等方法，实现了磁性金属基复合材料的构筑，优化了电磁参数和吸波性能。基于研究计划，本项目的主要研究内容可归纳为以下四个方面： (1)磁性金属的可控制备及性能优化：利用化学还原、前驱体导向和γ辐射法制备了不同结构的磁性金属材料，研究发现，磁性金属的晶相、形貌、化学组成等会显著影响材料的电磁性能，通过调控反应条件，可以控制磁性金属材料的组装过程，进而调控其电磁性能与吸波性能；(2)磁性金属表面涂层研究：通过表面修饰的方法在磁性金属表面分别构筑了SiO2、SiO2/ZrO2、C、AlPO4四种涂层，研究发现，四种涂层都能明显提升磁性金属的抗氧化能力，其中AlPO4效果最为明显，通过调变表面AlPO4层的厚度，可以优化复合材料的电磁性能改善特性阻抗匹配，从而显著提升复合材料的吸波性能和使用时效；(3)磁性金属/碳复合材料的设计合成：采用MOFs衍射的方法制备了Fe/C和Co/C复合材料，研究发现，碳组分可以有效调节复合材料的介电损耗行为，同时该方法得到的材料具有良好的化学均匀性，能够使各种极化损耗机制得以强化；另外，以普鲁士蓝类似物为前驱体可以得到组成可控的FeCo合金/碳复合材料，Fe/Co比例的变化不仅影响磁性颗粒的晶相，同时能够调变碳骨架的石墨化程度，使吸波性能得以进一步增强；(4)纯碳吸波材料的结构设计与性能强化：在纯碳材料中设计了有利于电磁波损耗的微观结构，如卵壳结构和三明治结构，研究发现这些特殊结构不仅能够改善材料的特性阻抗匹配，同时可以形成多重的反射损耗机制，使得纯碳材料的吸波性能足以媲美磁性的复合材料。项目执行过程中对各种吸波材料的制备和相应电磁波损耗机制进行了深入研究，为后续工作提供了一定的理论指导和科学依据。