基于空间复杂拓扑界面与极化弛豫效应的宽频吸波机理研究

Metallic magnetic particles are preferred absorbents for ultra-thin microwave absorbing materials (MAMs), which have been used extensively in defense and civil applications. However, metallic magnetic particles suffer from the drawbacks of high density and relatively narrow bandwidth. To overcome these problems, a novel design of hybrid absorbent is proposed in this project, where metallic magnetic particles are decorated by a dielectric loss materials with spatial complex topological interfaces. Experimentally, a coating consisted of spatially-distributed graphene nanowalls are grown on the surfaces of metallic magnetic particles via plasma-enhanced chemical vapor deposition. The electromagnetic properties of magnetic hybrids will be examined with respect to the size and spatial distribution of graphene nanowalls. The influences of the spatial topological layer on the dielectric dispersion will be revealed in the Ohm contact scenario. The electromagnetic loss and broadband absorbing mechanisms of the magnetic hybrids with complex spatial topological structured graphene will be elucidated. It is expected that this work will shed light on the optimal design of highly efficient MAMs.

磁性金属颗粒是超薄吸波材料的首选吸收剂，在国防与民用技术领域有十分重要的应用。针对磁性金属吸收剂存在的面密度大、吸收频带窄的问题，本项目提出在磁性金属吸收剂表面原位构筑具有空间复杂拓扑界面包覆层的新型复合吸收剂设计思想，以期利用空间拓扑界面的多重散射及其与金属吸收剂之间的极化弛豫效应提高吸波强度、拓宽吸波频带。拟采用等离子体增强化学气相沉积法在磁性金属颗粒表面原位生长具有一定空间分布结构的石墨烯纳米墙包覆层，研究石墨烯纳米墙尺寸及空间分布对磁性金属吸收剂电磁特性影响规律，探究欧姆接触构型下石墨烯空间拓扑包覆层对磁性金属吸收剂的介电频散调控机制，揭示具有复杂空间拓扑结构石墨烯包覆层的磁性金属复合吸收剂的电磁损耗机制及宽频吸波机理。本研究将为新型高效吸波材料的设计开发奠定理论和技术基础。

针对目前隐身材料常用的磁性吸收剂面密度大、吸收频带难以拓宽的缺点，本项目开展了石墨烯纳米墙包覆磁性金属颗粒复合吸收剂的研究，这种基于复杂空间拓扑结构的复合吸收剂同时具有介电损耗和磁损耗，有利于改善其吸波性能。.分别以Ni粉、羰基铁粉和FeCo粉作为基底，采用PECVD法在金属颗粒表面进行原位生长碳纳米层的实验，在不同生长参数（温度、气流量、射频功率、生长时间）下合成了多种Ni@C、Fe@C和FeCo@C复合粉体。通过SEM、XRD、Raman、XPS等对材料的微观组织结构进行表征，探究了工艺参数对于磁性粉体表面生长碳层结构的影响。通过矢量网络分析仪测试材料的电磁参数，研究了碳纳米包覆层对于磁性金属粉体电磁响应特性的调控作用，总结了不同生长参数下复合吸收剂组成结构与介电性能之间的物理关联，分析了磁性金属@碳纳米层复合吸波材料的电磁损耗机制和阻抗匹配物理图像，探究了碳纳米层包覆对磁性金属粉体吸波性能的增强机理。.结果表明，当FeCo@石墨烯复合吸收剂质量分数为70 wt%时，石蜡的质量分数为30%，二者混合后的最小反射损耗RL值可达-53.6 dB（f=8.3 GHz，d=3.3 mm），在厚度为2.2 mm时，其有效吸收带宽可达6.7 GHz，而原FeCo吸收带宽小于6 GHz。由此可见，石墨烯纳米墙@磁性金属颗粒异质结构材料可以实现宽频吸波的效果。