新型介电与磁性可调纳米胶囊的高频电磁性能优化与宽频强吸收机理研究

Based on the electromagnetic parameters of the composite absorbing materials and big data analysis technique, the electromagnetic parameters at different frequencies was chosen for the starting point for optimization. Constructing dielectric soft magnetic nanocapsules as an experimental model, focusing on the core problem of electromagnetic parameter control, through the structure and phase control of the shell and core, the electromagnetic parameters of the experimental model can be optimized to the optimized data range from the theoretical calculation. Based on the calculation and measurement of reflection loss, the correctness and rationality of the optimization of nanocapsule absorbing effect is verified. According to it, we further optimize the experimental model and make it the best broadband strong absorbing material. Find the dielectric constant and permeability can reach a common optimization regulation range, understand the dielectric loss mechanism (dielectric relaxation and dielectric loss and magnetic resonance) mechanism (natural resonance and exchange resonance) can realize the matching law of strong absorption in the range of 1-18GHz, in order to establish a broadband strong absorption absorbing composite physical structure model of microwave absorption material and dynamic absorbing physical image basis for the development of more new composite absorbing materials to provide guidance for the experimental and theoretical support.

以复合吸波材料电磁参数为基础，采用大数据分析原理，优选不同频率下的电磁参数组合作为优化起点，利用传输线理论得到优化的电磁参数值域。构建介电/软磁纳米胶囊作为实验模型，围绕电磁参数调控这一核心问题，通过外壳与内核的结构与物相调控，使实验模型电磁参数达到优化的值域。通过反射损耗计算与实测，验证优化纳米胶囊吸波效果的正确性与合理性，以此为基础进一步优化实验模型，使之成为最佳的宽频强吸波材料。找到介电常数与磁导率能共同达到优化值域范围的调控规律，理解介电损耗机制（介电弛豫与介电共振）与磁损耗机制（自然共振与交换共振）能在1-18GHz范围内实现强吸收的匹配规律，以此为基础建立具有宽频强吸收复合吸波材料的物理结构模型以及动态吸波物理图像，为开发更多新型复合吸波材料提供实验支撑与理论指导。

无论在飞机、舰船、坦克、箭弹隐身的军用领域，还是在灵敏电子设备抗干扰、人体组织防辐射、信息传输防窃取等民用领域，对高频GHz电磁波有强吸收效应的新型吸波材料成为当前军用与民用市场日益迫切需求的基础材料。然而，大量关于吸波材料的研究主要集中在如何构建新体系使之具有良好的吸波性能方面，这些工作大部分未能主动跳出单个体系的局限。如何从结构角度入手，系统优化结构进而与之相关的电磁参数，找到优化电磁参数与结构的关系，获得相应的优化规律，构建相应的物理图像，对于从原理角度深入理解电磁波吸波材料的体系开发与技术应用具有重要理论与实用意义。本项目正是基于上述问题，开展了系统的研究工作。首先，在已有复合吸波材料及其电磁参数基础上，优选电磁参数组合作为基础参数，根据构建的理论模型计算得到优化的电磁参数值域。在此基础上构建了HCNWs、Fe3Si@C、Ni3Fe@C/2D GNS、FexNiy@C、Co@C-MOF、FeNi@C@PVP等实验模型体系，深入研究了它们的结构、电磁参数、结构与电磁参数关系、电磁参数与吸波性能关系。其次，优选FexNiy@C体系作为介电-软磁复合吸波材料的典型实验模型，进行电磁波性能优化。得到了磁性成分占质量主体的介电-软磁纳米材料吸波性能的调控优化规律。即需要首先优化调控内核磁性能，使其磁导率尽量高以获得初步阻抗匹配，基于阻抗匹配，进一步优化质量填充比，改进阻抗匹配以保证引入更多电磁波进入吸波纳米胶囊，随后再优化调控外壳的介电性能，最终实现优良的阻抗和电磁波损耗同步匹配，完成最强的电磁波吸收性能。进一步从实验上证明，通过此优化调控策略可以实现优化的吸波性能高于同类吸波材料。第三，建立复合吸波材料与电磁波相互作时的介电与磁极化物理图像，同时给出自然共振与交换共振物理图像，给出两者的物理起源。第四，拓展开发同步具有吸波与防腐功能的Ni3Fe@C/2D GNS体系，为多功能吸波材料开发提供一条新思路。本项目的研究将理论模型与实验模型相结合，实现了对复合材料吸波性能提高的深刻理解与再认识，为研发新一代宽频强吸收复合吸波材料提供明晰的指导方法与拓展思路。