电磁功能中空复合微球的构建与异质组分协同作用机制

Electromagnetic materials are broadly used as microwave absorption and shielding. Because of their unique structures and easy-tailored electromagnetic parameters, microspheres with multiple components and hollow-interior are promising candidates for high-efficiency microwave absorbents. However, there is an obvious lack not only of the theories for the design and controlled shaping of hollow spherical structures, but also the understanding of the synergistic effects of multi-components of the spherical shell and the mechanism of their influence on the electromagnetic properties. Therefore, in this project, a new type of hollow microspheres with multi-component and multishell nature will be prepared through properly design of the composition and structure. Specifically, the formation of the hollow microspheres will be carried out through a spray drying route. Subsequently, in-situ formation and combination of various components, and stepwise assembly of further shells on the preformed spherical shell will be carried out by properly designed chemical reactions to form the final composite hollow microspheres with heterogeneous multishell structure. The synergistic effect of heterogeneous components in the same shell or among different shells, and the mechanism for the control over the electromagnetic parameters and the microwave absorbing performance will be studied in detail. In summary, systematic work of this project can contribute not only to the controlled preparation of high performance microwave absorbents, but also to the more in-depth understanding of the mechanism of the controlled combination and synergistic effect of heterogeneous components, and further provide theoretical guidance for the design and controlled preparation of novel hollow composite materials multishell structures.

电磁功能材料被广泛应用于电磁波吸收与屏蔽。兼具多组分与中空结构的微球材料以其独特的球壳结构和易于调控的电磁参数，有望成为轻质高效电磁波吸收剂。然而，中空微球结构设计和成形控制理论与方法存在欠缺，同时球壳异质组分间的协同作用及其对电磁性能影响机制尚未明确。鉴于此，本项目拟从电磁功能中空微球的组成和结构设计入手，通过雾化-溶剂蒸发过程实现材料的结构中空化和球形化，进而通过可控的化学反应实现球壳内部的磁性、介电和导电组分原位复合，实现单一微球内的多组分复合与匹配设计，并确定相关机理。研究并揭示中空复合微球的球壳内部及不同球壳之间各功能组分的异质协同作用机制，以及电磁参数与吸波性能调控的方法及机理。本项目研究，不仅有望得到密度低且电磁参数可控的宽频响应电磁波吸收剂，更重要的是可揭示单一微球内部异质组分间的复合与协同作用机制，并为多壳层中空复合结构的设计合成及其性能调控提供有益的理论指导和借鉴。

高技术和民用先进材料对轻量化和高性能提出了越来越高的要求，而具有可控空腔的中空微球结构的构建是实现功能材料轻量化和性能增强的有效途径。另一方面，为实现功能性的增强和多功能化，材料的尺寸微纳米化和组分复合化是构建高性能功能材料的另一重要手段。对于中空微球材料而言，球壳的物理结构和化学组成是决定其功能性和稳定性的关键，然而目前在保持中空微球宏观结构的前提下球壳内异质组分高效复合的实现及组分间的协同作用机制仍有很大不足，需进一步研究。.本项目以喷雾造粒路线形成中空微球结构，并结合后处理发生化学反应实现球壳结构单元的晶相和组成转变，得到具有目标组成和结构的复合型电磁功能中空微球，并研究球壳的成型过程原理和异质组分间对电磁波损耗能力的协同作用。一方面实现了碳基磁性中空复合微球的设计和高效成型，通过初始反应体系的设计和后处理条件控制实现了组成、尺寸和分布状态调控，并探究了相关的成型和构效关系原理。异质组分丰富的化学成分可选择性和微观结合状态、缺陷等物理结构可控性带来了可控的导电性、磁性、阻抗匹配程度和电磁波损耗机制。通过上述设计，可实现低密度中空复合微球型电磁波吸收剂的高效合成和性能优化，在低密度的同时拓宽吸收频带，提高吸收强度。另一方面，针对低密度前提下的结构补强，进行了球壳分区设计探索并取得初步进展，发现将力学支撑和功能性异质球壳组分进行分区设计有望进一步实现中空微球型电磁波吸收剂的性能强化和低密度化。.本项目研究，不仅探索了低密度中空微球的高效合成和球壳异质复合化的方法，通过精确控制的反应条件实现了电磁性能、密度、强度和尺寸调控，还解释了球壳内异质组分的自身特性和复合状态对电磁功能的作用规律及其内在机制；同时，相关方法和机理研究还可以为其他类型微纳米复合电磁波吸收剂，以及其他功能的低密度中空微球材料的设计、可控成型和性能调控提供参考和借鉴。