標(biāo)題：多層核殼鈷酸鎳基電磁波吸收材料的一步水熱制備及其電磁損耗機(jī)理研究
英文標(biāo)題：Investigation of one-pot hydrothermal synthesis and electromagnetic loss mechanism of multi-shell nickel cobalt based absorbers
作者：秦明
指導(dǎo)教師：趙小如教授，吳宏景副教授
培養(yǎng)院系：物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
學(xué)科：材料科學(xué)與工程
讀博寄語(yǔ)：追求卓越，敢為人先
主要研究?jī)?nèi)容
近幾十年來(lái)人類(lèi)經(jīng)歷了科技的快速發(fā)展階段，從人工智能到5G時(shí)代，人類(lèi)的生產(chǎn)和生活中存在著各式各樣的電子設(shè)備，這無(wú)疑極大地豐富了人類(lèi)的物質(zhì)生活。但從另一個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，這些以電磁波為信息載體的工具的大量使用也會(huì)造成嚴(yán)重的電磁輻射污染。電磁輻射污染不僅會(huì)造成信息干擾、中斷，更有甚者會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生病變。研究表明，電磁輻射污染會(huì)對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)、感覺(jué)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)等造成損傷，危害人體健康。因此，如何有效抑制電磁輻射污染具有十分重要的意義。電磁波吸收材料，也簡(jiǎn)稱(chēng)為吸波材料，越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注。作為一種電磁功能材料，吸波材料不僅可以解決過(guò)度使用的電磁器件導(dǎo)致的電磁輻射污染問(wèn)題，它同樣可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、雷達(dá)的隱身功能，在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中取得先機(jī)。
基于此，本項(xiàng)目依托超常條件材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院），在西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金的資助下，針對(duì)傳統(tǒng)吸波材料面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，緊緊圍繞新型吸波材料的設(shè)計(jì)制備及全面性能提高這一涉及國(guó)家戰(zhàn)略安全的重大科技難題，以金屬/金屬氧化物為研究對(duì)象，通過(guò)微觀(guān)結(jié)構(gòu)、物相、界面和缺陷水平等調(diào)控手段，構(gòu)建了輕質(zhì)高效的金屬/金屬氧化物吸波劑，揭示了電磁波作用下材料的微觀(guān)物理電磁損耗機(jī)制，為設(shè)計(jì)新型金屬/金屬氧化物基吸波材料提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目屬于面向國(guó)際學(xué)術(shù)發(fā)展前沿和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的前瞻性重大應(yīng)用研究課題，具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
(1)鈷酸鎳基鐵氧體吸波劑制備及其電磁損耗機(jī)理研究
尖晶石鐵氧體材料不僅具有磁損耗能力，其同樣具備較強(qiáng)的介電損耗能力。鈷酸鎳（NiCo2O4）吸波劑的電導(dǎo)率相對(duì)較高，有利于提供電導(dǎo)損耗作用；且其容易實(shí)現(xiàn)氧空位濃度的調(diào)控，這也有利于吸波劑中缺陷誘導(dǎo)極化損耗機(jī)制的調(diào)節(jié)。這些優(yōu)勢(shì)使鈷酸鎳材料成為潛在的優(yōu)異電磁波吸收劑。但值得注意的是，盡管當(dāng)前存在一些NiCo2O4基吸波劑的研究，其內(nèi)容著重于形貌對(duì)電磁損耗的影響。而從缺陷、空位和界面等微觀(guān)角度分析從而揭示NiCo2O4基材料吸波機(jī)制的研究尚不深入，仍需要進(jìn)一步的探索。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目展開(kāi)了鈷酸鎳基材料的制備并從微觀(guān)角度對(duì)其電磁損耗機(jī)制進(jìn)行研究，初步揭示了鈷酸鎳吸波材料缺陷、空位和界面效應(yīng)等物化性質(zhì)對(duì)其吸波性能調(diào)控機(jī)制，獲得了一系列寬頻鈷酸鎳基吸波劑。
圖1 系列寬頻鈷酸鎳基材料形貌及吸波性能與文獻(xiàn)對(duì)比圖
(2) 多層核殼空心球鐵氧體制備及其電磁損耗機(jī)理研究
鐵氧體吸波材料應(yīng)用時(shí)仍存在密度較大的問(wèn)題，如何有效解決其密度大的問(wèn)題從而獲得輕質(zhì)的鐵氧體吸波劑是目前研究中待解決的問(wèn)題。另一方面，由于鐵氧體材料中電磁損耗來(lái)源比較復(fù)雜，多重?fù)p耗機(jī)制的貢獻(xiàn)程度無(wú)法定量的衡量，由此導(dǎo)致了鐵氧體吸波劑中何種損耗機(jī)制的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位到目前為止仍無(wú)法確定。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目通過(guò)構(gòu)建具有多層核殼空心球結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料從而達(dá)到降低其密度的目的。結(jié)果表明，該合成策略具有較好的普適性，對(duì)于MCo2O4（M=Mg、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn）尖晶石鐵氧體材料均能獲得多層核殼空心球結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比，本項(xiàng)目報(bào)導(dǎo)的多層核殼空心球鐵氧體材料的密度僅為41.1 mg/cm-3，遠(yuǎn)低于目前報(bào)導(dǎo)的鐵氧體吸波劑。與此同時(shí)，以鈷酸鎳材料為代表性的分析對(duì)象，利用不同的退火溫度對(duì)材料的晶格缺陷進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)一系列的表征手段深入研究了材料的結(jié)構(gòu)缺陷、電導(dǎo)率等與其吸波特性的聯(lián)系，首次闡明了在尖晶石鐵氧體材料中晶格缺陷誘導(dǎo)的極化損耗機(jī)制為電磁波吸收的主要貢獻(xiàn)來(lái)源，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論在系列的鈷基多層核殼空心球鐵氧體MCo2O4中依舊成立。這項(xiàng)工作不僅提出了多層核殼空心球鐵氧體材料的普適性制備及其微觀(guān)形貌形成機(jī)制，也為高性能鐵氧體材料的設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo)作用。
圖2 多層核殼空心球鐵氧體的吸波性能和吸波機(jī)理示意圖
(3) 輕質(zhì)寬頻的泡沫金屬基吸波材料設(shè)計(jì)及其電磁損耗機(jī)理研究
金屬基材料在吸波領(lǐng)域的應(yīng)用受限于其自身的兩個(gè)缺陷，一是過(guò)高的電導(dǎo)率引起的電磁波在其表面強(qiáng)烈的反射，二是自身的高密度難以滿(mǎn)足目前輕質(zhì)吸波材料的需求。盡管通過(guò)納米尺寸的金屬材料設(shè)計(jì)或?qū)⒔饘傺趸?、碳材料與金屬材料進(jìn)行復(fù)合可以在一定程度上解決上述問(wèn)題，但是由此而引起的問(wèn)題諸如納米金屬粒子團(tuán)聚、被氧化而引起的吸波性能衰退以及金屬?gòu)?fù)合材料復(fù)雜的制備過(guò)程同樣制約著高效、輕質(zhì)金屬基吸波材料的進(jìn)一步發(fā)展?；谏鲜鰡?wèn)題，本項(xiàng)目通過(guò)一種“發(fā)面法”及后續(xù)的退火過(guò)程制備出了輕質(zhì)的泡沫鎳材料，并創(chuàng)新性地將金屬氧化物原位生長(zhǎng)在泡沫鎳上，最終得到了輕質(zhì)、高效的金屬基吸波材料。將金屬材料設(shè)計(jì)成多孔泡沫結(jié)構(gòu)不僅能夠極大地降低金屬材料的密度，而且引入的氣泡可以作為電磁波在材料內(nèi)部的傳輸通道，有效的解決了電磁波在金屬材料表面的反射問(wèn)題。為了進(jìn)一步補(bǔ)充材料的電磁損耗能力，氧化鎳/鐵酸鎳通過(guò)原位生長(zhǎng)的方式在泡沫鎳表面形成，為復(fù)合材料提供了較強(qiáng)的介電損耗能力。最終，在泡沫結(jié)構(gòu)與金屬/氧化物組分的協(xié)同作用下，造就了泡沫鎳基材料優(yōu)異的吸波性能。該研究為新型輕質(zhì)、高效的金屬基吸波材料的制備提供了新的思路。
圖3 新型泡沫金屬基材料吸波性能圖及吸波機(jī)理示意圖
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
(1) 構(gòu)建了一系列寬頻鈷酸鎳基吸波劑，初步闡明了缺陷、空位和界面效應(yīng)對(duì)鈷酸鎳材料吸波性能調(diào)控機(jī)制。
(2) 實(shí)現(xiàn)了多層核殼空心球鐵氧體的普適性構(gòu)筑，提出了該特殊形貌的形成機(jī)制。通過(guò)鐵氧體材料中二價(jià)金屬離子調(diào)控電磁波吸收性能，闡明了系列鐵氧體材料中尖晶石晶格缺陷誘導(dǎo)的極化損耗作為主導(dǎo)的電磁波吸收機(jī)制，為新型鐵氧體吸波劑的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。
(3) 提出了一種輕質(zhì)泡沫鎳基材料的制備方法，利用形貌和物相之間的協(xié)同效應(yīng)首次獲得了輕質(zhì)、高效的金屬基吸波材料，為新型金屬基吸波材料的制備提供了思路。
代表性創(chuàng)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)
