郑州大学范冰冰&西北工业大学卿玉长团队:新型Ti4O7基复合材料的制备及电磁波吸收性能

2023~2025年  分领域虚拟专题

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面对日益复杂的电磁环境和多频谱探测威胁，开发高性能隐身材料具有重要紧迫性。虽然含氧缺陷的Ti₄O₇具备较高电导率和电磁衰减能力，但其过高的介电常数易导致阻抗失配，限制其实际应用。为克服这一局限，可将Ti₄O₇与具有不同电磁特性的磁性或介电材料复合，从而进一步增强铁磁共振及介电损耗性能。本研究首先通过氢气还原法调控TiO₂的电子结构与晶体缺陷，成功合成纯相Ti₄O₇；进而采用溶剂热法在其表面包覆了磁性CoNi合金和碳纳米管(CNT)，构建了Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂。该结构中，磁性CoNi层有助于增强界面极化和磁损耗，引入CNT则有效提高了电导损耗，减轻了材料整体质量，从而实现了介电损耗与磁损耗的协同增强。实验结果表明，当Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂(CNT质量分数为4%)在石蜡基体中添加量为45%(质量分数)、厚度为2.03 mm时，最小反射损耗可达−80.6 dB，有效吸收频宽为2.0 GHz。综上，Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂展现出优异的电磁波吸收性能，为无人机等装备的隐身防护提供了重要的参考价值。

研究背景

随着雷达、红外等探测技术的快速发展，隐身能力已成为衡量武器系统先进性的关键指标，但传统吸波材料存在频带窄、密度大等局限，而非化学计量比钛氧化物(如Ti₄O₇)虽展现出优异的电磁损耗潜力，却面临阻抗失配、磁性金属组分导致涡流效应及密度过高等问题。为此，本研究通过构建Ti₄O₇/CoNi/CNT核壳异质结构，引入轻质高导电的碳纳米管(CNT)以优化阻抗匹配、增强电导损耗并降低整体密度，旨在解决现有材料在宽频、高效、轻量化吸波方面的关键难题。

本文亮点

1. 该结构中，磁性CoNi层有助于增强界面极化和磁损耗，引入CNT则有效提高了电导损耗，减轻了材料整体质量，从而实现了介电损耗与磁损耗的协同增强。

2. Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂厚度为2.03 mm时，最小反射损耗可达−80.6 dB，有效吸收频宽为2.0 GHz。

图文导读

不同CNT含量Ti₄O₇/CoNi/CNT样品的微观形貌如图1所示。当CNT质量分数为2%时，球形CoNi颗粒尺寸约100 nm，与Ti₄O₇颗粒和CNT随机分布；同时，可以发现Ti₄O₇颗粒表面较为粗糙(图1(a，b))。当CNT质量分数为4%时，球形CoNi颗粒均匀地包裹在Ti₄O₇表面，粒径约为800 nm(图1(c，d))。随着CNT含量的进一步增加，CoNi颗粒的包覆效果变差，使得Ti₄O₇颗粒的部分光滑表面裸露；同时，CoNi颗粒的尺寸减小至300 nm左右，且CNT出现了严重的团聚现象(图1(e，f))。TCNC-4复合吸收剂的元素映射图(图1(g~l))证实了Ti、O、Co和Ni元素均匀分布。另外，Co和Ni比Ti和O占据的面积更大，说明Ti₄O₇在核心，而Co和Ni在壳层。

图2显示了不同CNT含量Ti₄O₇/CoNi/CNT样品的吸波性能随吸波层厚度和频率的变化趋势。图2(a, b)显示，TCNC-2样品在12.1 GHz和1.72 mm涂层厚度下的最小反射损耗达−15.1 dB，对应的有效吸收频宽为1.3 GHz。图2(c, d)显示，TCNC-4样品在9.0 GHz和2.03 mm涂层厚度下的最小反射损耗达−80.6 dB，对应的有效吸收频宽为2.0 GHz。TCNC-6样品在10.4 GHz和1.59 mm涂层厚度下的最小反射损耗为−31.2 dB，对应的有效吸收频宽为2.5 GHz(图2(e, f))。根据上述结果发现，TCNC-6的ε″值大于TCNC-4，但是吸收性能变差，这是因为TCNC-6中含有更多的CNT，较高的电导率容易导致阻抗失配，进而降低了电磁波吸收能力。

总结与展望

(1)在材料层面，引入CNT进一步改善了Ti₄O₇和CoNi之间的相互作用，同时可以形成更大的电荷离域和迁移，造成能量损耗。

(2)在机理层面，当TCNC-4复合吸收剂在石蜡基体中的添加量为45%(质量分数)时，该样品在2.03 mm厚度下的最小反射损耗为−80.6 dB，有效吸收频宽为2.0 GHz。其性能提升源于异质结界面引入的介电-磁协同效应、增强的界面极化以及优化的阻抗匹配。

(3)为实现轻质、高效、宽频的吸波目标，本研究从结构设计与组分调控两方面入手：一方面构建核壳结构以优化材料的电磁响应特性；另一方面引入具有低密度、高导电性和大比表面积等优势的CNT，在增强电导损耗的同时减轻材料整体质量，为轻量化吸波材料的设计提供新思路。

作者简介

通讯作者：范冰冰，郑州大学教授/博士生导师，主要从事电磁波与材料相互作用机理(透波、吸波和屏蔽)研究。主持国家自然科学基金面上项目、河南省科技研发计划联合基金重点项目、河南省杰出青年基金、英国皇家学会Wolfson基金等项目10余项，获河南省技术发明一等奖(排名第一)、第二十四届中国专利奖银奖等奖励10余项。发表SCI论文110余篇，其中ESI高被引论文10篇，热点论文7篇，授权发明和实用新型专利30余项。

邮箱：fanbingbing@zzu.edu.cn

ORCID：https://orcid.org/0000-0002-1168-1142

通讯作者：卿玉长，西北工业大学教授/博士生导师。入选国家级青年人才，辐射探测材料与器件工信部重点实验室副主任，获陕西省青年科技新星、“陕西青年五四奖章”、西北工业大学“翱翔青年学者”等荣誉。长期奋战在高温特种功能材料技术攻关及其产品开发科研一线，研制的系列高温特种功能材料在航空航天领域实现批量应用，获得国家技术发明二等奖、国防技术发明一等奖等奖项。已发表论文100余篇，论文被引次数5000多次，授权发明第一发明人专利30余项，授权其他发明人专利20余项。

第一作者：李阳，郑州大学副研究员/硕士生导师，河南省“科技副总”，主要从事功能陶瓷、电磁防护涂层和高分子基功能涂层材料研究。主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关等科研项目3项，获河南省自然科学二等奖1项。在国际知名期刊Journal of Advanced Ceramics、Carbon Energy、Small、Composites Part B: Engineering等发表SCI论文30余篇，累计引用2000余次，h指数20。

邮箱：liyang119@zzu.edu.cn

ORCID：https://orcid.org/0000-0001-6671-2666

期刊介绍