【儀表網 研發快訊】近日，西北工業大學化學與化工學院孔杰教授、劉攀博副教授聯合武漢科技大學材料學部李享成教授在多功能材料方面取得新進展，成功開發了空心碳微球吸波/防腐新材料，有望滿足熱帶海洋環境中電磁防御技術需求，研究成果以“Multifunctional Hollow Carbon Microspheres Enable Superior Electromagnetic Wave Response and Corrosion Barrier”為題在國際期刊Advanced Materials(2025, 2500646)上在線發表。
 

　　對于在海洋環境中服役的電磁波吸收涂層材料，高效電磁吸收和耐腐蝕性同等重要，不僅能顯著提高設備的隱身性能，還能夠有效保護基底免受侵蝕。磁/電復合材料具有阻抗匹配和多界面極化效應，可通過多頻譜吸收實現優異的電磁波吸收。然而，該材料長期暴露在鹽/堿環境中時仍難以實現吸波防腐一體化，裸露的磁性顆粒很易發生腐蝕/氧化，大大降低材料的鐵磁共振和電磁波吸收性能。
 

　　基于雙鈍化抗腐蝕效應，研究團隊通過自犧牲模板輔助法制備了具有優異電磁波吸收和耐腐蝕性能的空心碳微球(HCMs)。通過Zn微球還原特性和熱驅動協同調控磁性微球的磁疇演變，優化了異質界面共振，實現了強磁耦合，使其最小反射損耗低于-4dB，有效吸收頻帶寬度大于5GHz。制備的HCMs表面呈電負性，可通過靜電排斥減少腐蝕離子(Cl-、OH-等)在基材表面的吸附/積累，有效降低導電能力，從而緩解腐蝕過程，實現短時間內的防腐特性。另一方面，隨著浸泡時間的增加，磁性顆粒相繼轉化為層狀雙氫氧化物(LDHs)，通過強陰離子捕獲能力進一步阻止腐蝕離子接近基底表面，從而實現長效防腐效果。
 

　　圖1 HCMs合成示意圖：Zn@MHNs形成(S1)，Zn@MHNs到Zn@ZIFs的轉變(S1)，Zn@ZIFs轉化為HCMs(S3)
 

　　首先以Zn球為模板，在硝酸鹽溶液中利用Fe3+/Co2+/Ni2+離子的水解反應在Zn球表面包覆一層金屬氫氧化物納米片(MHNs)；利用2-MeIM置換MHNs中的OH-離子，將MHNs轉化為沸石咪唑框架結構(ZIFs)；最后通過調控煅燒溫度實現HCMs中磁疇結構的演變。隨著煅燒溫度的升高，Zn球逐漸消失，最終形成具有空腔結構的HCMs。當煅燒溫度為600℃時，Fe3+/Co2+/Ni2+離子很難被還原為磁性顆粒，因此HCMs-600具有Zn和ZnO相，ZnO的形成歸因于Zn顆粒的部分氧化；當煅燒溫度為700℃時，ZnO相顯著增加，伴隨著Fe2C、CoO和NiO相的出現，表明磁性域開始形成；當煅燒溫度為800℃時，Zn球的還原特性促進CoO/NiO到Co/Ni的磁疇演化，Zn球的蒸發形成空心結構，異質界面和磁疇的共存有利于界面極化和磁耦合，從而增強電磁波耗散；當煅燒溫度為900℃時，由于Fe2C相的(101)晶面能量較低，Fe2C開始分解為金屬Fe，與Co和Ni形成FeCo/FeNi合金；當煅燒溫度為1000℃時，熱驅動促使FeCo和FeNi共熔形成FeCoNi合金。
 

　　圖2 材料復介電常數(a)、電導率(b)，HCMs-800和HC-900的RL值(c-d)和雷達截面(e-f)，雷達截面減少值(g)，電磁波吸收值(h)和電磁功率損失密度仿真(i)，HCMs-800的洛倫茲電子全息術(j-k)和磁耦合模型(I)
 

　　綜合考慮異質界面和磁疇演變協同效應對材料電磁波吸收性能的影響，發現當煅燒溫度為800℃時，HCMs-800具有最優的電磁波吸收性能，最小RL為-57.5 dB，有效吸收帶寬達到5.67 GHz。RCS模擬仿真表明，在入射角為20°時HCMs-800的最大RCS減小值高達36.9 dB m2。
 

　　圖3 HCMs在濃度3.5 wt%和1M的NaOH溶液中塔菲爾圖(a-c)和Nyquist圖(d-e)，HCMs的Zeta電位(f)，HCMs-900和HCMs-1000中的電荷轉移模型(g)，HCMs-900腐蝕后粉末的拉曼光譜(h)和XRD圖譜(i)，HCMs-900防腐行為(j)
 

　　在濃度3.5 wt% NaCl溶液和1M NaOH溶液中，HCMs-900和HCMs-1000在相對較低的腐蝕電流下具有更高的腐蝕電位，具有優越的抗腐蝕能力。而相對于HCMs-1000，HCMs-900具有兩相晶界，電荷在轉移時被阻止，因此其阻抗半徑明顯較大，證明其導電能力降低，從而增加其腐蝕屏障。此外，長時間浸泡在鹽/堿溶液中，磁性顆粒會逐漸轉變為LDHs，該LDHs具有較強的陰離子捕獲能力，可進一步阻止腐蝕離子與基底表面之間的接觸，從而實現良好防腐特性。
 

　　該項工作得到國家杰出青年科學基金項目、NSFC聯合基金重點項目及校分析測試中心開放基金等資助。西北工業大學化學與化工學院劉攀博為第一作者，孔杰、李享成和劉攀博為通訊作者。