标题：多层核壳钴酸镍基电磁波吸收材料的一步水热制备及其电磁损耗机理研究

英文标题：Investigation of one-pot hydrothermal synthesis and electromagnetic loss mechanism of multi-shell nickel cobalt based absorbers

作者：秦明

指导教师：赵小如教授，吴宏景副教授

培养院系：物理科学与技术学院

学科：材料科学与工程

读博寄语：追求卓越，敢为人先

主要研究内容

近几十年来人类经历了科技的快速发展阶段，从人工智能到5G时代，人类的生产和生活中存在着各式各样的电子设备，这无疑极大地丰富了人类的物质生活。但从另一个角度上来说，这些以电磁波为信息载体的工具的大量使用也会造成严重的电磁辐射污染。电磁辐射污染不仅会造成信息干扰、中断，更有甚者会导致人体产生病变。研究表明，电磁辐射污染会对人体的神经系统、感觉系统、免疫系统和内分泌系统等造成损伤，危害人体健康。因此，如何有效抑制电磁辐射污染具有十分重要的意义。电磁波吸收材料，也简称为吸波材料，越来越受到研究者们的关注。作为一种电磁功能材料，吸波材料不仅可以解决过度使用的电磁器件导致的电磁辐射污染问题，它同样可以实现飞机、雷达的隐身功能，在军事战争中取得先机。

基于此，本项目依托超常条件材料物理与化学教育部重点实验室（西北工业大学物理科学与技术学院），在西北工业大学博士论文创新基金的资助下，针对传统吸波材料面临的问题和挑战，紧紧围绕新型吸波材料的设计制备及全面性能提高这一涉及国家战略安全的重大科技难题，以金属/金属氧化物为研究对象，通过微观结构、物相、界面和缺陷水平等调控手段，构建了轻质高效的金属/金属氧化物吸波剂，揭示了电磁波作用下材料的微观物理电磁损耗机制，为设计新型金属/金属氧化物基吸波材料提供了一定的理论基础和实验数据。本项目属于面向国际学术发展前沿和国家重大战略需求的前瞻性重大应用研究课题，具有重大的理论和应用价值。主要研究内容与结果如下：

(1)钴酸镍基铁氧体吸波剂制备及其电磁损耗机理研究

尖晶石铁氧体材料不仅具有磁损耗能力，其同样具备较强的介电损耗能力。钴酸镍（NiCo₂O₄）吸波剂的电导率相对较高，有利于提供电导损耗作用；且其容易实现氧空位浓度的调控，这也有利于吸波剂中缺陷诱导极化损耗机制的调节。这些优势使钴酸镍材料成为潜在的优异电磁波吸收剂。但值得注意的是，尽管当前存在一些NiCo₂O₄基吸波剂的研究，其内容着重于形貌对电磁损耗的影响。而从缺陷、空位和界面等微观角度分析从而揭示NiCo₂O₄基材料吸波机制的研究尚不深入，仍需要进一步的探索。针对上述问题，本项目展开了钴酸镍基材料的制备并从微观角度对其电磁损耗机制进行研究，初步揭示了钴酸镍吸波材料缺陷、空位和界面效应等物化性质对其吸波性能调控机制，获得了一系列宽频钴酸镍基吸波剂。

图1 系列宽频钴酸镍基材料形貌及吸波性能与文献对比图

(2) 多层核壳空心球铁氧体制备及其电磁损耗机理研究

铁氧体吸波材料应用时仍存在密度较大的问题，如何有效解决其密度大的问题从而获得轻质的铁氧体吸波剂是目前研究中待解决的问题。另一方面，由于铁氧体材料中电磁损耗来源比较复杂，多重损耗机制的贡献程度无法定量的衡量，由此导致了铁氧体吸波剂中何种损耗机制的贡献占主导地位到目前为止仍无法确定。针对上述问题，本项目通过构建具有多层核壳空心球结构的铁氧体材料从而达到降低其密度的目的。结果表明，该合成策略具有较好的普适性，对于MCo₂O₄（M=Mg、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn）尖晶石铁氧体材料均能获得多层核壳空心球结构。通过对比，本项目报导的多层核壳空心球铁氧体材料的密度仅为41.1 mg/cm^-3，远低于目前报导的铁氧体吸波剂。与此同时，以钴酸镍材料为代表性的分析对象，利用不同的退火温度对材料的晶格缺陷进行调节，通过一系列的表征手段深入研究了材料的结构缺陷、电导率等与其吸波特性的联系，首次阐明了在尖晶石铁氧体材料中晶格缺陷诱导的极化损耗机制为电磁波吸收的主要贡献来源，进一步的研究发现这一结论在系列的钴基多层核壳空心球铁氧体MCo₂O₄中依旧成立。这项工作不仅提出了多层核壳空心球铁氧体材料的普适性制备及其微观形貌形成机制，也为高性能铁氧体材料的设计提供了一定的理论指导作用。

图2 多层核壳空心球铁氧体的吸波性能和吸波机理示意图

(3) 轻质宽频的泡沫金属基吸波材料设计及其电磁损耗机理研究

金属基材料在吸波领域的应用受限于其自身的两个缺陷，一是过高的电导率引起的电磁波在其表面强烈的反射，二是自身的高密度难以满足目前轻质吸波材料的需求。尽管通过纳米尺寸的金属材料设计或将金属氧化物、碳材料与金属材料进行复合可以在一定程度上解决上述问题，但是由此而引起的问题诸如纳米金属粒子团聚、被氧化而引起的吸波性能衰退以及金属复合材料复杂的制备过程同样制约着高效、轻质金属基吸波材料的进一步发展。基于上述问题，本项目通过一种“发面法”及后续的退火过程制备出了轻质的泡沫镍材料，并创新性地将金属氧化物原位生长在泡沫镍上，最终得到了轻质、高效的金属基吸波材料。将金属材料设计成多孔泡沫结构不仅能够极大地降低金属材料的密度，而且引入的气泡可以作为电磁波在材料内部的传输通道，有效的解决了电磁波在金属材料表面的反射问题。为了进一步补充材料的电磁损耗能力，氧化镍/铁酸镍通过原位生长的方式在泡沫镍表面形成，为复合材料提供了较强的介电损耗能力。最终，在泡沫结构与金属/氧化物组分的协同作用下，造就了泡沫镍基材料优异的吸波性能。该研究为新型轻质、高效的金属基吸波材料的制备提供了新的思路。

图3 新型泡沫金属基材料吸波性能图及吸波机理示意图

主要创新点

(1) 构建了一系列宽频钴酸镍基吸波剂，初步阐明了缺陷、空位和界面效应对钴酸镍材料吸波性能调控机制。

(2) 实现了多层核壳空心球铁氧体的普适性构筑，提出了该特殊形貌的形成机制。通过铁氧体材料中二价金属离子调控电磁波吸收性能，阐明了系列铁氧体材料中尖晶石晶格缺陷诱导的极化损耗作为主导的电磁波吸收机制，为新型铁氧体吸波剂的设计提供了一定的理论基础。

(3) 提出了一种轻质泡沫镍基材料的制备方法，利用形貌和物相之间的协同效应首次获得了轻质、高效的金属基吸波材料，为新型金属基吸波材料的制备提供了思路。

代表性创新成果

1.Ming Qin, Limin Zhang, Hongjing Wu,Defect induced polarization loss in multi-shelled spinel hollow spheres for electromagnetic wave absorption application.Advanced Science, 2021, 8(8):2004640. (SCI:000615811800001,IF₂₀₂₂=17.521)

2.Ming Qin,Limin Zhang,Xiaoru Zhao,Hongjing Wu,Lightweight Nifoam-basedultra-broadbandelectromagneticwaveabsorber.Advanced Functional Materials,2021, 31(30):2103436. (SCI:000651559600001,IF₂₀₂₂=19.924)

3.Ming Qin, Limin Zhang, Hongjing Wu, Dielectric loss mechanism in electromagnetic wave absorbing materials.AdvancedScience,2022,9(10):2105553.(SCI: 000751804600001,IF₂₀₂₂=17.521)

4.Ming Qin, Hongsheng Liang, Xiaoru Zhao, Hongjing Wu, Glycine-assisted solution combustion synthesis of NiCo₂O₄electromagnetic wave absorber with wide absorption bandwidth.Ceramics International. 2020, 46(14):22313-22320. (SCI: 000558707400050, IF₂₀₂₂=5.532)

5.Ming Qin, Hongsheng Liang, Xiaoru Zhao, Hongjing Wu,Filter paper templated one-dimensional NiO/NiCo₂O₄microrod with wideband electromagnetic wave absorption capacity.Journal of Colloid and Interface Science.2020, 565:347-356. (SCI:000521653900035,IF₂₀₂₂=9.965)

6.Ming Qin, Limin Zhang, Hongjing Wu,Dual-template hydrothermal synthesis of multi-channel porous NiCo₂O₄hollow spheres as high-performance electromagnetic wave absorber.Applied Surface Science.2020, 515:146132. (SCI:000525637300032,IF₂₀₂₂=7.392)