碳包覆铁磁金属颗粒吸波材料微观结构构建及性能增强机制

The development and application of microwave absorbing materials is an important means to prevent electromagnetic pollution and realize electromagnetic compatibility and stealth. The composites with core-shell structure can combine the electromagnetic properties of different materials. The research on microwave absorbing materials focused on the synthesis of composites with different microstructur. The lack of optimization of structural parameters based on loss mechanism limits the further improvement of microwave absorption performance..According to the simulation results of our previous work, this project introduces numerical simulation technology into the study of microstructure effect on the microwave absorbing materials, and will further optimize the microstructure of carbon-coated hierarchical ferromagnetic metal particles by means of numerical analysis. Firstly, the growth mechanism of each microstructure was analyzed on the basis of the synthesis of the composites, and the controllable microstructure parameters by the experimental conditions were extracted, the microstructure controllable synthesis scheme is also offerred. Furthermore, The numerical model is applied to analyze the variation mechanism of the microwave absorption performance of the composites with the different microstructure and the physical mechanism. According to the established model, the parameters of the microstructure will be optimized and the microwave propagation/loss mechanism will be analyzed. Finally, Combined with the synthesis of the program, to achieve the optimal microstructure construction. The research of this project can promote the application of numerical simulation technology in the field of microwave absorbing materials, which will provide reference for the mechanism analysis of the influence of the microstructure on the electromagnetic attenuation and the optimization of the microstructure of nanoparticles. The microstructure optimization and controllable synthesized core-shell carbon-coated ferromagnetic alloy particles can appied in microwave absorbing materials.

吸波材料的应用是防止电磁污染、实现电磁兼容及雷达隐身的重要手段，核壳结构可以实现不同电磁特性材料的有机结合，是吸波材料的一个重要发展方向。而现有研究侧重于微观结构的制备，缺少基于损耗机制的结构参数优化方案限制了材料吸波性能的进一步提高。.本项目通过前期工作将数值仿真技术引入到吸波材料微观结构研究中，拟进一步借助数值分析手段对碳包覆多级铁磁金属颗粒复合材料的微观结构进行优化。首先，在完成复合材料制备的基础上分析各微观结构的生长机制，提取可控的微观结构参数，给出微观结构可控制备方案；进而，基于仿真技术分析微观参数对材料吸波特性的影响规律及物理机制，优化微观结构参数；最终，结合制备方案实现优化微观结构的构建。本项目的研究可推动数值仿真技术在纳米吸波材料领域的应用，为材料微观结构对电磁场影响机制分析及复合材料微观结构优化提供参考，其研究成果可推动核壳结构碳包覆铁磁金属颗粒复合吸波材料的应用。

各种电子设备和无线通讯技术的广泛应用带来的电磁辐射严重危害人体健康，引起的电磁干扰会影响精密设备的正常运行，造成的电磁泄露增加了信息安全风险；在军事上，电磁探测技术的发展，对武器的生存能力提出了更高要求。吸波材料的应用是防治电磁问题、实现武器隐身的有效手段，因此开发高效吸波材料成为科技领域的热点问题之一。合理的微观结构设计有助于充分发挥结构效应而增强电磁吸收性能，然而以简单的方法实现多尺度结构调控以获得兼具良好阻抗匹配性和强衰减能力的吸波材料仍具有挑战性，特别是复合材料中各种损耗机制共同作用时，提升性能的关键因素不明确，限制了性能的进一步提升。本项目通过数值仿真技术成功建立铁磁颗粒与碳的核壳结构模型，分析给出电磁场在结构内分布特性，微观结构对吸波性能影响规律，为材料微观结构优化的提供有效手段；在实验上，以铁磁金属与碳复合材料为研究对象，通过控制反应条件实现微观结构、形貌、原子掺杂等调控，并探究电磁性能随杂原子掺杂、形貌及微观结构的动态变化，通过数值仿真分析各种结构中电磁性能提升的关键因素。根据数值仿真结果及复合结构生长机制，设计合成了由核壳结构颗粒镶嵌在三维碳复合材料，复合材料表现出优异性能。实验数据和仿真结果表明：当碳层石墨化程度较高的石墨烯时，碳球之间接触会增强电磁波中电场矢量损耗增，但当石墨烯层增加时，会严重屏蔽电磁波进入材料，所以合理控制石墨烯层厚度是保证性能的前题，当碳层为石墨化程度较低的硬碳材料时，颗粒间的相互接触对于提升材料的电磁吸收性能也是有帮助的。因此，三维联通的石墨烯笼是提升电磁性能的有效方式，据此，项目利用富含铁及具有层级大孔结构的生物前驱体原位制备三维石墨烯纳米笼，其独特的微观结构使其电磁性能优于同类材料。项目研究表明通过合理的微观结构设计是提升吸波性能有效手段之一。