三元纳米纤维核壳结构设计用于电磁隐身天线

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电磁波吸收 三元纳米纤维 核壳结构 协同效应 贴片天线

学术背景

在信息时代，电磁波（EMW）的广泛应用带来了通信、医疗、导航等多个领域的突破性进展。然而，随着电子设备的普及，电磁波干扰（EMI）问题日益严重，不仅影响精密设备的正常运行，还可能对人体健康造成潜在威胁。因此，开发高效的电磁波吸收材料成为当前研究的热点之一。传统的电磁波吸收材料往往存在吸收带宽窄、反射损耗高等问题，难以满足现代通信设备对高效电磁隐身和信号传输的需求。

为了解决这一问题，研究人员开始从多组分复合材料和微结构工程的角度出发，设计新型电磁波吸收材料。其中，核壳结构（core-shell structure）因其能够巧妙结合不同材料的优势，显著增加材料接触面积，成为研究的热点。通过合理选择组分和优化微结构，研究人员希望能够实现阻抗匹配和衰减能力的协同效应，从而开发出高性能的电磁波吸收材料。 三元纳米纤维核壳结构设计用于电磁隐身天线

论文来源

本文由Xiangwei Meng、Meijie Yu和Chengguo Wang共同撰写，他们分别来自山东大学材料科学与工程学院和教育部材料液固结构演变与加工重点实验室。论文于2024年10月7日发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，题目为《The Design of Ternary Nanofibers with Core–Shell Structure for Electromagnetic Stealthy Antenna》。

研究流程

1. 材料制备

研究首先通过静电纺丝（electrospinning）和碳化（carbonization）工艺制备了Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维。具体步骤如下：

  1. 静电纺丝：将聚乙吡咯烷酮（PVP）、乙酰丙酮镍（Ni(acac)₂）和正丁醇锆（Zr(OBu)₄）溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，形成均匀的溶液。通过静电纺丝设备，将溶液纺成纳米纤维，并收集在铝箔上。
  2. 预氧化和碳化：将收集到的纳米纤维在180°C下预氧化，随后在700°C的氮气氛围中进行碳化，最终得到Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维。

2. 材料表征

研究人员通过多种手段对制备的纳米纤维进行了详细的表征：

  1. X射线衍射（XRD）：确认了材料中Ni和ZrO₂的晶体结构。
  2. 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：分析了材料的石墨化程度。
  3. 氮气吸附-脱附测试（BET）：测定了材料的比表面积和平均孔径。
  4. X射线光电子能谱（XPS）：分析了材料表面的化学态和电子性质。
  5. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：观察了材料的形貌和内部微观结构。

3. 电磁性能测试

通过矢量网络分析仪（VNA）测量了材料在2.0-18.0 GHz频率范围内的电磁参数，包括复介电常数和复磁导率。研究人员还计算了材料的反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB），并模拟了材料的雷达截面（RCS）特性。

研究结果

1. 材料结构与性能

XRD和TEM结果表明，Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维成功形成了核壳结构，Ni颗粒均匀分布在纳米纤维中，ZrO₂层厚度约为7 nm。拉曼光谱显示，材料中含有丰富的无定形碳和缺陷位点，这有助于调节材料的导电性和阻抗匹配特性。

2. 电磁波吸收性能

Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维在11.0 GHz处的最小反射损耗（RL）达到-60.1 dB，有效吸收带宽（EAB）为7.6 GHz。此外，模拟结果表明，该材料在大多数观测角度下的雷达截面（RCS）值小于-20 dBm²，显示出优异的电磁隐身性能。

3. 天线设计

研究人员将Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维作为介质基板，设计了一种贴片天线（patch antenna）。测试结果显示，该天线在X波段的反射系数（S11）小于-10 dB，表明其具有高效的信号传输能力。

结论与意义

本研究通过静电纺丝和碳化工艺成功制备了具有核壳结构的Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维，并展示了其在电磁波吸收和天线设计中的优异性能。该材料不仅实现了高效的电磁波吸收，还为未来电磁隐身天线的设计提供了理论指导。研究结果表明，通过多组分复合和微结构设计，可以有效调控材料的电磁参数，实现阻抗匹配和衰减能力的协同效应。

研究亮点

  1. 高性能电磁波吸收材料：Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维在11.0 GHz处的最小反射损耗达到-60.1 dB，有效吸收带宽为7.6 GHz，显示出优异的电磁波吸收性能。
  2. 核壳结构设计：通过核壳结构设计，成功实现了多种损耗机制的协同效应，包括导电损耗、磁损耗和极化弛豫。
  3. 天线设计应用：将Ni/C@ZrO₂三元纳米纤维应用于贴片天线设计，展示了其在电磁隐身天线中的潜在应用价值。

其他有价值的信息

研究还探讨了碳化温度和填料负载量对材料电磁性能的影响。结果表明，700°C的碳化温度和15%的填料负载量是实现高效电磁波吸收的最佳条件。此外，研究还通过高频结构模拟器（HFSS）和CST Studio Suit 2019软件对材料的电磁场分布和功率损耗进行了模拟，进一步验证了材料的优异性能。

总结

本研究不仅为开发高效电磁波吸收材料提供了新的思路，还为未来电磁隐身天线的设计奠定了理论基础。通过多组分复合和微结构工程，研究人员成功实现了材料的阻抗匹配和衰减能力的协同效应，展示了三元核壳结构纳米纤维在电磁波吸收和天线设计中的广阔应用前景。