氮化工程合成有序固溶体γ′-Fe4N基吸收体及其在电磁功能器件中的应用

电气工程 材料学 工程学 金属材料
电磁波吸收 氮化工程 有序固溶体 能量转换与存储设备 电磁隐身天线

学术背景

随着工业升级和学科融合的推进，人类社会在信息化、智能化和自动化方面取得了显著进展，但这也对新型材料提出了更高的要求，尤其是在电磁功能材料领域。电磁污染问题日益严重，开发具有稳定特性和宽频带操作的磁性纳米材料成为迫切需求。γ′-Fe4N作为一种有序固溶体，因其稳定的化学性质、高导电性和饱和磁化强度，在提高电磁波吸收性能方面展现出巨大潜力。然而，其制备条件苛刻，长期以来被忽视。本研究通过氮化工程和电纺丝技术，成功制备了氮掺杂碳纤维嵌入Fe4N纳米球（Fe4N@NCFs）的吸波材料，旨在实现高效、宽频带和薄厚度的微波吸收，并探索其在电磁功能器件中的应用潜力。

论文来源

本论文由Xiangwei Meng、Jia Li、Shuting Zhang、Di Lan、Meijie Yu、Teng Long和Chengguo Wang共同撰写，作者来自山东大学材料科学与工程学院、山东大学机械、电气与信息工程学院以及湖北汽车工业学院材料科学与工程学院。论文于2024年11月12日被Advanced Fiber Materials期刊接受，并于2024年7月31日提交。

研究流程

1. 材料制备与表征

研究首先通过水热反应、电纺丝、碳化和氮化处理制备了Fe4N纳米球嵌入氮掺杂碳纤维的吸波材料（Fe4N@NCFs）。具体步骤如下：

  1. 水热反应：制备Fe3O4纳米球，其表面粗糙，由无数小纳米颗粒组成。
  2. 电纺丝：利用电场拉力和与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的摩擦力，将Fe3O4纳米球成功挤出并限制在纤维束中。
  3. 碳化：在高温下碳化，PVP热解为碳纤维，Fe3O4转化为Fe4N晶体。
  4. 氮化处理：在氨气气氛中进行严格控制的氮化处理，确保Fe4N晶体的纯度。

通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）等手段对材料进行表征，验证了Fe4N晶体的成功制备及其在纤维中的均匀分散。

2. 电磁波吸收性能测试

研究测试了Fe4N@NCFs的电磁波吸收性能，结果显示其在2.0 mm厚度下的最小反射损耗（RL）为-77.7 dB，在1.8 mm厚度下的最大有效吸收带宽（EAB）为5.8 GHz。此外，Fe4N@NCFs在1-5 mm厚度范围内的有效吸收频率范围为3.8-18.0 GHz，覆盖了S、C、X和Ku波段，显示出满足多样化需求场景的潜力。

3. 电磁波吸收机理分析

研究通过密度泛函理论（DFT）计算和电磁参数分析，深入探讨了Fe4N@NCFs的电磁波吸收机理。结果表明，Fe4N的导电性类似于导体，其能带结构为零带隙，显示出优异的导电损耗能力。此外，Fe4N@NCFs的纤维状微观结构增加了电磁波的多次反射和局部微电流形成，增强了界面极化和电荷迁移。

4. 功能器件设计

研究进一步设计了基于Fe4N@NCFs的废能二次利用装置和电磁隐身天线，验证了其在多功能器件中的广泛应用潜力。废能二次利用装置通过将吸收的电磁波转化为热能，再基于塞贝克效应将热能转化为电能，实现了对环境有害电磁能的清洁利用。电磁隐身天线在宽频带内高效接收信号，显示出在通信和导航领域的应用前景。

研究结果

  1. 材料表征：XRD和XPS结果表明，Fe4N晶体成功制备并均匀分散在氮掺杂碳纤维中。HR-TEM图像显示，Fe4N纳米球被10-20 nm厚的碳壳包裹，形成异质界面，增强了界面极化。
  2. 电磁波吸收性能：Fe4N@NCFs在2.0 mm厚度下的最小反射损耗为-77.7 dB，在1.8 mm厚度下的最大有效吸收带宽为5.8 GHz，显示出优异的电磁波吸收性能。
  3. 电磁波吸收机理：DFT计算和电磁参数分析表明，Fe4N的导电性类似于导体，其能带结构为零带隙，显示出优异的导电损耗能力。纤维状微观结构增加了电磁波的多次反射和局部微电流形成，增强了界面极化和电荷迁移。
  4. 功能器件设计：基于Fe4N@NCFs的废能二次利用装置和电磁隐身天线显示出广泛的应用潜力，验证了其在多功能器件中的设计可行性。

结论

本研究通过氮化工程成功制备了氮掺杂碳纤维嵌入Fe4N纳米球的吸波材料，实现了优异的电磁波吸收性能和阻抗匹配特性。Fe4N@NCFs的最小反射损耗为-77.7 dB，最大有效吸收带宽为5.8 GHz，显示出在电磁隐身和废能回收领域的广泛应用潜力。研究揭示了有序固溶体Fe4N的电磁波吸收机理，为未来功能材料的开发和应用提供了理论指导。

研究亮点

  1. 高效电磁波吸收：Fe4N@NCFs在2.0 mm厚度下的最小反射损耗为-77.7 dB，显示出优异的电磁波吸收性能。
  2. 宽频带操作：Fe4N@NCFs在1.8 mm厚度下的最大有效吸收带宽为5.8 GHz，覆盖了S、C、X和Ku波段。
  3. 多功能器件设计：基于Fe4N@NCFs的废能二次利用装置和电磁隐身天线显示出广泛的应用潜力，验证了其在多功能器件中的设计可行性。

其他有价值的信息

本研究得到了山东省重点研发计划（2021ZLGX01, 2021CXGC010903）和山东省自然科学基金（ZR2022ME055）的资助。所有数据均可根据合理请求从通讯作者处获取。