强磁场下磁耦合复合纤维及其图案化多层薄膜的制备与电磁性能研究

Magnetic nanomaterials represent a new generation of microwave absorbing materials. Overcoming the Snoek limit and improving the electromagnetic dispersion characteristics are the key issues to be solved urgently at present. The method of high magnetic fields is expected to break through the bottleneck of electromagnetic performance. In this project, the applicant intends to use alginate nanofiber to coordinate Fe/Co ions and further prepared FeCo/CoFe2O4 multi-shell fibers under a high magnetic field. Through adjusting the phase ratio, crystalline, grain size/ orientation/distribution, defect, and interface, we will demonstrate the mechanism of magnetization on fibrous tissue structure at the atomic scale, study the regulation of fibrous structure changes and magnetic exchange coupling effects on high-frequency permeability, permittivity, magnetic resonance, and polarization relaxation, clarify the strong magnetic field effect-microstructure-electromagnetic performance relationship, and establish a strong magnetic field strategy to breakthrough Snoek limit and improve electromagnetic dispersion characteristics. Based on the above studies, the preparation of patterned multi-layered absorber films under high magnetic fields was developed. Microelectromagnetics and finite element methods were used to elucidate the mechanism of dipole interaction, electromagnetic anisotropy, and periodicity of arrangement on high-frequency electromagnetic performance. We will optimize the multi-layer structure to improve impedance matching and electromagnetic loss, and improve the comprehensive microwave absorption performance in a wide frequency range.

克服Snoek极限、改善电磁频散特性是磁性纳米吸波材料发展面临的关键问题。利用强磁场对物质极强的磁能作用优化组织结构，有望实现电磁性能突破。本课题拟基于海藻酸纤维“蛋-盒”结构对金属离子的络合作用，在强磁场下制备FeCo/CoFe2O4磁耦合单元多壳层纤维，利用强磁场调控软磁相和硬磁相比例、晶粒取向、尺寸与分布、晶格结构、缺陷结构、界面结构等，在原子尺度揭示磁化能对纤维组织结构的调控机制；研究纤维组织结构变化和磁交换耦合作用对高频磁导率、高频介电常数、磁共振和极化驰豫的调控规律，阐明强磁场效应-微观结构-电磁性能的关联机理，建立突破Snoek极限并改善频谱特性的强磁场策略。基于上述研究，开展强磁场下图案化多层吸波薄膜制备，结合微磁学和有限元方法阐明纤维间偶极作用、电磁各向异性、排列周期性对高频电磁性能的影响机制，通过优化多层结构提高阻抗匹配与电磁损耗，为改善宽频域综合吸波性能提供理论参考。

能够吸收、屏蔽电磁波的电磁功能材料在国民经济发展和国防建设中发挥着重要作用。磁电复合吸波/屏蔽材料是发展高性能电磁功能材料的理想候选。当前，克服Snoek极限、改善电磁频散特性是此类材料发展面临的关键问题。本项目采用强磁场辅助技术制备出磁耦合的磁碳复合纤维、磁碳复合中空纳米管，以及各向异性磁电复合薄膜。通过改变磁场强度/方向、磁场热处理温度/时间等参量，调控磁性粒子的成份、尺寸、排列、取向、分布，以及复合材料的多孔结构、缺陷结构和界面结构等，系统研究了强磁场下原子/粒子的迁移规律和多种复合材料的生长机制，实现了磁电复合材料的磁场辅助可控制备。深入探索了磁场诱导的复合材料的成份和结构变化对高频磁导率、高频介电常数、损耗性能，以及频散特性的影响；结合仿真模拟，重点探讨了有序化结构、磁电各向异性、磁性相间的耦合作用对高频电磁性能的调控机制，阐明利用磁场优化微观结构，进而改善高频电磁性能的物理机制，制备出具有优异电磁特性的复合材料。利用强磁场的诱导效应，磁电复合纤维薄膜的有效吸波带宽可提高5倍以上；磁电复合可拉伸屏蔽薄膜的比屏蔽强度、屏蔽效能的应变敏感性和调控范围可远高于其它报道。发展了多层结构的电磁功能材料和器件，以进一步提高综合性能、实现多功能拓展，如能将电磁能转化成电能的能量转换器、拉伸控制的开关式电磁屏蔽薄膜，以及基于电磁波信号的传感器件。研究成果为提高电磁功能材料的综合性能提供了重要科学依据，为拓展强磁场技术在先进电磁功能材料制备中的应用提供了实验和理论参考，也为发展多功能电磁功能器件提供了思路。相关研究成果发表于Matter, Nano Energy, Chem. Eng. J., Carbon, ACS Appl. & Interfaces等期刊。