Absorbeur basé sur la solution solide ordonnée γ′-Fe4N synthétisé par ingénierie de nitruration et appliqué aux dispositifs fonctionnels électromagnétiques

Contexte académique

Avec l’avancement de la mise à niveau industrielle et de l’intégration disciplinaire, la société humaine a réalisé des progrès significatifs dans les domaines de l’informatisation, de l’intelligence et de l’automatisation. Cependant, cela a également posé des exigences plus élevées pour les nouveaux matériaux, en particulier dans le domaine des matériaux fonctionnels électromagnétiques. Le problème de la pollution électromagnétique devenant de plus en plus sérieux, le développement de nanomatériaux magnétiques avec des caractéristiques stables et une opération à large bande est devenu une nécessité urgente. γ′-Fe4N, en tant que solution solide ordonnée, montre un énorme potentiel pour améliorer les performances d’absorption des ondes électromagnétiques grâce à ses propriétés chimiques stables, sa haute conductivité et sa magnétisation à saturation. Cependant, ses conditions de préparation strictes l’ont longtemps rendu négligé. Cette étude a réussi à préparer un matériau absorbant les micro-ondes en intégrant des nanosphères de Fe4N dans des fibres de carbone dopées à l’azote (Fe4N@NCFs) grâce à l’ingénierie de nitruration et à la technologie d’électrofilage, visant à réaliser une absorption micro-ondes efficace, à large bande et à faible épaisseur, et à explorer son potentiel d’application dans les dispositifs fonctionnels électromagnétiques.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Xiangwei Meng, Jia Li, Shuting Zhang, Di Lan, Meijie Yu, Teng Long et Chengguo Wang, tous affiliés à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université du Shandong, à l’École d’ingénierie mécanique, électrique et de l’information de l’Université du Shandong et à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de technologie automobile du Hubei. L’article a été accepté par la revue Advanced Fiber Materials le 12 novembre 2024 et soumis le 31 juillet 2024.

Processus de recherche

1. Préparation et caractérisation des matériaux

La recherche a commencé par la préparation du matériau absorbant les ondes électromagnétiques en intégrant des nanosphères de Fe4N dans des fibres de carbone dopées à l’azote (Fe4N@NCFs) grâce à une réaction hydrothermale, à l’électrofilage, à la carbonisation et au traitement de nitruration. Les étapes spécifiques sont les suivantes :

1. Réaction hydrothermale : Préparation de nanosphères de Fe3O4 dont la surface est rugueuse et composée d’innombrables nanoparticules.
2. Électrofilage : Utilisation de la force de traction du champ électrique et de la friction avec le polyvinylpyrrolidone (PVP) pour extruder avec succès les nanosphères de Fe3O4 et les confiner dans des faisceaux de fibres.
3. Carbonisation : Carbonisation à haute température, où le PVP se pyrolyse en fibres de carbone et le Fe3O4 se transforme en cristaux de Fe4N.
4. Traitement de nitruration : Traitement de nitruration strictement contrôlé dans une atmosphère d’ammoniac pour assurer la pureté des cristaux de Fe4N.

La caractérisation des matériaux a été réalisée par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie photoélectronique X (XPS) et microscopie électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM), validant la préparation réussie des cristaux de Fe4N et leur dispersion uniforme dans les fibres.

2. Test des performances d’absorption des ondes électromagnétiques

La recherche a testé les performances d’absorption des ondes électromagnétiques de Fe4N@NCFs, montrant une perte de réflexion minimale (RL) de -77,7 dB à une épaisseur de 2,0 mm et une bande passante d’absorption efficace maximale (EAB) de 5,8 GHz à une épaisseur de 1,8 mm. De plus, la plage de fréquence d’absorption efficace de Fe4N@NCFs pour des épaisseurs de 1 à 5 mm s’étend de 3,8 à 18,0 GHz, couvrant les bandes S, C, X et Ku, démontrant un potentiel pour répondre à divers scénarios de demande.

3. Analyse du mécanisme d’absorption des ondes électromagnétiques

La recherche a exploré en profondeur le mécanisme d’absorption des ondes électromagnétiques de Fe4N@NCFs grâce à des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et à l’analyse des paramètres électromagnétiques. Les résultats ont montré que la conductivité de Fe4N est similaire à celle d’un conducteur, avec une structure de bande d’énergie à bande interdite nulle, affichant une capacité de perte conductrice exceptionnelle. De plus, la microstructure fibreuse de Fe4N@NCFs augmente les réflexions multiples des ondes électromagnétiques et la formation de microcourants locaux, renforçant la polarisation interfaciale et la migration des charges.

4. Conception de dispositifs fonctionnels

La recherche a également conçu un dispositif de récupération d’énergie secondaire et une antenne furtive électromagnétique basés sur Fe4N@NCFs, validant leur potentiel d’application étendu dans des dispositifs multifonctionnels. Le dispositif de récupération d’énergie secondaire convertit les ondes électromagnétiques absorbées en énergie thermique, puis en énergie électrique via l’effet Seebeck, réalisant une utilisation propre de l’énergie électromagnétique nuisible à l’environnement. L’antenne furtive électromagnétique reçoit efficacement les signaux sur une large bande de fréquences, montrant des perspectives d’application dans les domaines de la communication et de la navigation.

Résultats de la recherche

1. Caractérisation des matériaux : Les résultats de XRD et XPS ont montré que les cristaux de Fe4N ont été préparés avec succès et dispersés uniformément dans les fibres de carbone dopées à l’azote. Les images HR-TEM ont montré que les nanosphères de Fe4N sont enveloppées dans des coques de carbone de 10 à 20 nm d’épaisseur, formant des interfaces hétérogènes qui renforcent la polarisation interfaciale.
2. Performances d’absorption des ondes électromagnétiques : Fe4N@NCFs a montré une perte de réflexion minimale de -77,7 dB à une épaisseur de 2,0 mm et une bande passante d’absorption efficace maximale de 5,8 GHz à une épaisseur de 1,8 mm, démontrant d’excellentes performances d’absorption des ondes électromagnétiques.
3. Mécanisme d’absorption des ondes électromagnétiques : Les calculs DFT et l’analyse des paramètres électromagnétiques ont montré que la conductivité de Fe4N est similaire à celle d’un conducteur, avec une structure de bande d’énergie à bande interdite nulle, affichant une capacité de perte conductrice exceptionnelle. La microstructure fibreuse a augmenté les réflexions multiples des ondes électromagnétiques et la formation de microcourants locaux, renforçant la polarisation interfaciale et la migration des charges.
4. Conception de dispositifs fonctionnels : Le dispositif de récupération d’énergie secondaire et l’antenne furtive électromagnétique basés sur Fe4N@NCFs ont montré un potentiel d’application étendu, validant la faisabilité de leur conception dans des dispositifs multifonctionnels.

Conclusion

Cette étude a réussi à préparer un matériau absorbant les ondes électromagnétiques en intégrant des nanosphères de Fe4N dans des fibres de carbone dopées à l’azote grâce à l’ingénierie de nitruration, réalisant d’excellentes performances d’absorption des ondes électromagnétiques et des caractéristiques d’adaptation d’impédance. Fe4N@NCFs a montré une perte de réflexion minimale de -77,7 dB et une bande passante d’absorption efficace maximale de 5,8 GHz, démontrant un potentiel d’application étendu dans les domaines de la furtivité électromagnétique et de la récupération d’énergie. La recherche a révélé le mécanisme d’absorption des ondes électromagnétiques de la solution solide ordonnée Fe4N, fournissant des directives théoriques pour le développement et l’application de matériaux fonctionnels à l’avenir.

Points forts de la recherche

1. Absorption efficace des ondes électromagnétiques : Fe4N@NCFs a montré une perte de réflexion minimale de -77,7 dB à une épaisseur de 2,0 mm, démontrant d’excellentes performances d’absorption des ondes électromagnétiques.
2. Opération à large bande : Fe4N@NCFs a montré une bande passante d’absorption efficace maximale de 5,8 GHz à une épaisseur de 1,8 mm, couvrant les bandes S, C, X et Ku.
3. Conception de dispositifs multifonctionnels : Le dispositif de récupération d’énergie secondaire et l’antenne furtive électromagnétique basés sur Fe4N@NCFs ont montré un potentiel d’application étendu, validant la faisabilité de leur conception dans des dispositifs multifonctionnels.

Autres informations utiles

Cette recherche a été financée par le Programme clé de recherche et développement de la province du Shandong (2021ZLGX01, 2021CXGC010903) et par le Fonds de sciences naturelles de la province du Shandong (ZR2022ME055). Toutes les données peuvent être obtenues auprès de l’auteur correspondant sur demande raisonnable.