標題：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理研究
英文標題：Investigation of one-pot hydrothermal synthesis and electromagnetic loss mechanism of multi-shell nickel cobalt based absorbers
作者：秦明
指導教師：趙小如教授，吳宏景副教授
培養院系：物理科學與技術學院
學科：材料科學與工程
讀博寄語：追求卓越，敢為人先
主要研究內容
近幾十年來人類經歷了科技的快速發展階段，從人工智能到5G時代，人類的生產和生活中存在著各式各樣的電子設備，這無疑極大地豐富了人類的物質生活。但從另一個角度上來說，這些以電磁波為信息載體的工具的大量使用也會造成嚴重的電磁輻射污染。電磁輻射污染不僅會造成信息干擾、中斷，更有甚者會導致人體產生病變。研究表明，電磁輻射污染會對人體的神經系統、感覺系統、免疫系統和內分泌系統等造成損傷，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，也簡稱為吸波材料，越來越受到研究者們的關注。作為一種電磁功能材料，吸波材料不僅可以解決過度使用的電磁器件導致的電磁輻射污染問題，它同樣可以實現飛機、雷達的隱身功能，在軍事戰爭中取得先機。
基于此，本項目依托超常條件材料物理與化學教育部重點實驗室（西北工業大學物理科學與技術學院），在西北工業大學博士論文創新基金的資助下，針對傳統吸波材料面臨的問題和挑戰，緊緊圍繞新型吸波材料的設計制備及全面性能提高這一涉及國家戰略安全的重大科技難題，以金屬/金屬氧化物為研究對象，通過微觀結構、物相、界面和缺陷水平等調控手段，構建了輕質高效的金屬/金屬氧化物吸波劑，揭示了電磁波作用下材料的微觀物理電磁損耗機制，為設計新型金屬/金屬氧化物基吸波材料提供了一定的理論基礎和實驗數據。本項目屬于面向國際學術發展前沿和國家重大戰略需求的前瞻性重大應用研究課題，具有重大的理論和應用價值。主要研究內容與結果如下：
(1)鈷酸鎳基鐵氧體吸波劑制備及其電磁損耗機理研究
尖晶石鐵氧體材料不僅具有磁損耗能力，其同樣具備較強的介電損耗能力。鈷酸鎳（NiCo2O4）吸波劑的電導率相對較高，有利于提供電導損耗作用；且其容易實現氧空位濃度的調控，這也有利于吸波劑中缺陷誘導極化損耗機制的調節。這些優勢使鈷酸鎳材料成為潛在的優異電磁波吸收劑。但值得注意的是，盡管當前存在一些NiCo2O4基吸波劑的研究，其內容著重于形貌對電磁損耗的影響。而從缺陷、空位和界面等微觀角度分析從而揭示NiCo2O4基材料吸波機制的研究尚不深入，仍需要進一步的探索。針對上述問題，本項目展開了鈷酸鎳基材料的制備并從微觀角度對其電磁損耗機制進行研究，初步揭示了鈷酸鎳吸波材料缺陷、空位和界面效應等物化性質對其吸波性能調控機制，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對比圖
(2) 多層核殼空心球鐵氧體制備及其電磁損耗機理研究
鐵氧體吸波材料應用時仍存在密度較大的問題，如何有效解決其密度大的問題從而獲得輕質的鐵氧體吸波劑是目前研究中待解決的問題。另一方面，由于鐵氧體材料中電磁損耗來源比較復雜，多重損耗機制的貢獻程度無法定量的衡量，由此導致了鐵氧體吸波劑中何種損耗機制的貢獻占主導地位到目前為止仍無法確定。針對上述問題，本項目通過構建具有多層核殼空心球結構的鐵氧體材料從而達到降低其密度的目的。結果表明，該合成策略具有較好的普適性，對于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構。通過對比，本項目報導的多層核殼空心球鐵氧體材料的密度僅為41.1 mg/cm-3，遠低于目前報導的鐵氧體吸波劑。與此同時，以鈷酸鎳材料為代表性的分析對象，利用不同的退火溫度對材料的晶格缺陷進行調節，通過一系列的表征手段深入研究了材料的結構缺陷、電導率等與其吸波特性的聯系，首次闡明了在尖晶石鐵氧體材料中晶格缺陷誘導的極化損耗機制為電磁波吸收的主要貢獻來源，進一步的研究發現這一結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形貌形成機制，也為高性能鐵氧體材料的設計提供了一定的理論指導作用。
圖2 多層核殼空心球鐵氧體的吸波性能和吸波機理示意圖
(3) 輕質寬頻的泡沫金屬基吸波材料設計及其電磁損耗機理研究
金屬基材料在吸波領域的應用受限于其自身的兩個缺陷，一是過高的電導率引起的電磁波在其表面強烈的反射，二是自身的高密度難以滿足目前輕質吸波材料的需求。盡管通過納米尺寸的金屬材料設計或將金屬氧化物、碳材料與金屬材料進行復合可以在一定程度上解決上述問題，但是由此而引起的問題諸如納米金屬粒子團聚、被氧化而引起的吸波性能衰退以及金屬復合材料復雜的制備過程同樣制約著高效、輕質金屬基吸波材料的進一步發展。基于上述問題，本項目通過一種“發面法”及后續的退火過程制備出了輕質的泡沫鎳材料，并創新性地將金屬氧化物原位生長在泡沫鎳上，最終得到了輕質、高效的金屬基吸波材料。將金屬材料設計成多孔泡沫結構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題。為了進一步補充材料的電磁損耗能力，氧化鎳/鐵酸鎳通過原位生長的方式在泡沫鎳表面形成，為復合材料提供了較強的介電損耗能力。最終，在泡沫結構與金屬/氧化物組分的協同作用下，造就了泡沫鎳基材料優異的吸波性能。該研究為新型輕質、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理示意圖
主要創新點
(1) 構建了一系列寬頻鈷酸鎳基吸波劑，初步闡明了缺陷、空位和界面效應對鈷酸鎳材料吸波性能調控機制。
(2) 實現了多層核殼空心球鐵氧體的普適性構筑，提出了該特殊形貌的形成機制。通過鐵氧體材料中二價金屬離子調控電磁波吸收性能，闡明了系列鐵氧體材料中尖晶石晶格缺陷誘導的極化損耗作為主導的電磁波吸收機制，為新型鐵氧體吸波劑的設計提供了一定的理論基礎。
(3) 提出了一種輕質泡沫鎳基材料的制備方法，利用形貌和物相之間的協同效應首次獲得了輕質、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)
