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研究背景
隨著 5-6 代通信技術的快速發展，電磁污染問題日益突出，對低成本、寬頻高效的微波吸收材料（MAMs）需求迫切。基于碳線圈（CC）的微波吸收材料（MAMs）因其獨*的3D螺旋形狀、優異的分散性和適當的導電性，在微波吸收（MA）領域具有良好的應用前景。然而，CC通常生長在平坦和堅硬的基材（如 Al?O?、石英、陶瓷）上上，隨后從基材上刮下。亞穩態的消耗和刮削過程不可避免地增加了制備成本，這限制了CC的大規模生產和應用。碳酸化衛生紙（CTP）不僅是一種廉價高效的MAM，而且具有催化劑負載能力，使其適合作為CC生長的基材。同時，CTP和生長的CC可以一起用作MAM，而無需將它們彼此分離。這大大降低了生產成本。
大連理工大學潘路軍教授課題組，在近期工作提中，通過鎳催化化學氣相沉積工藝在CTP上成功合成了螺旋碳微線圈（CMC）。CTP和CMC形成了一種集成的吸收復合材料，其中螺旋CMC同時增強了導電損耗和交叉極化損耗，CTP和CMC之間的連接引起了界面極化損耗。通過精確控制催化劑的量，可以調節CTP/CMC的阻抗。優化后的CTP/CMC-10復合材料具有優異的微波吸收性能，有效帶寬（反射損耗<-10 dB）為7.4 GHz，填充率為10%。這項工作為開發低成本、寬帶和高效的MAM鋪平了新的道路。該成果以“Integration of helical carbon microcoils on toilet paper substrates for low-cost and broadband microwave absorption"為題發表在《Carbon》期刊，第一作者是鄧劉金博。
研究成果
圖1展示了CTP/CMC的制備流程。將衛生紙切成30×30毫米的正方形。在鎳催化劑被均勻地噴涂在衛生紙上。將噴涂有鎳催化劑的薄紙放置在管式爐中，將衛生紙位置加熱至710°C。最后，通過引入25sccm的C2H2氣體和流量比為350sccm的Ar氣氛1小時來合成CMS/CNC。在其他條件不變的情況下，將Ni催化劑噴涂在衛生紙上5次、10次和20次，所得樣品分別標記為CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20。
圖1：CTP/CMCs的SEM圖
圖2顯示了噴涂到CTP上的Ni納米催化劑的SEM圖像。CTP纖維呈扁平的線性形狀，寬度約為15.0μm。鎳納米粒子均勻地涂覆在CTP上。隨著噴涂次數的增加，鎳催化劑的負載量顯著增加。CMC呈現螺旋結構，大量CMC在CTP基材上合成。
圖2：CTP/CMC的SEM圖
圖3顯示了CTP/CMC-10的TEM圖像，CMC呈現螺旋形態。CMC內的碳呈現出非晶態多晶結構。碳原子層之間的平均間距為0.37nm。在CMC的XRD中觀察到24.5°和43.0°處的兩個寬峰，分別對應于石墨碳的（002）和（100）平面。沒有觀察到Ni的吸收峰，這可能是由于鎳含量低。CTP/CMC-5、CTP/CMC-10和CTP/CMC-20的ID/IG值分別為2.51、2.44和2.37。由于CMC的缺陷水平低于CTP，ID/IG值逐漸降低。CTP/CMC復合材料的石墨化程度增加。
圖3: CTP/CMC-10的TEM圖像，XRD，拉曼光譜和FTIR光譜。
圖4顯示了CTP/CMC的復介電常數。CTP/CMC的介電常數隨著鎳噴涂次數的增加而逐漸增加。ε^''的逐漸增加表明CMC的生長豐富了導電網絡。圖4d-f顯示了科爾-科爾半圓。在圖4d中，CTP/CMC-5顯示了兩個半圓，這歸因于螺旋CMC引起的交叉極化和CMC和CTP內的多晶無定形碳引起的界面極化。在圖4e中，CTP/CMC-10呈現三個半圓。半圓數量的增加表明，除了多晶非晶碳之間的交叉極化和交叉極化外，CTP和CMC之間還形成了界面，增加了極化位點，改善了界面極化。在圖4f中，CTP/CMC-20顯示了兩個半圓，與CTP/CMC-10相比，其偏振數較低。這是由于CMC增長顯著增加，CTP/CMC-20中幾乎完*是CMC，減少了CMC和CTP之間的界面。
圖4：CTP/CMC電磁參數。
圖5顯示了CTP/CMC的RL曲線。圖5a顯示CTP/CMC-5的MA性能較差。在5.9 GHz和5.5 mm厚度下，RLmin值為-17.4 dB。從圖5b可以看出，CTP/CMC-10表現出優異的MA性能，RLmin為-40.1 dB（7.6 GHz，3.5 mm），EAB為7.4 GHz（10.6-18.0 GHz，2.2 mm）。此外，如圖5c所示，CTP/CMC-20表現出良好的MA性能，EAB為6.5 GHz（11.5-18.0 GHz，2.2mm）。圖5d-f顯示了CTP/CMC的阻抗匹配。圖5d顯示CTP/CMC-5樣品的Z峰約為1.3，表明阻抗不匹配。如圖5e所示，CTP/CMC-10的Z峰約為1.0（紅線），表現出良好的阻抗匹配。這表明CMC的生長調節了CTP/CMC的阻抗，促進了其MA性能。如圖5f所示，CTP/CMC-20的Z峰為0.8，阻抗匹配度不如CTP/CMC-10，這與MA性能是一致的。
圖5：CTP/CMCs的吸波性能
圖6顯示了CTP/CMC的MA機制。CTP具有成本低、重量輕和寬帶吸收的優點，同時為CMC的生長提供了天然的基質。螺旋CMC的合成同時改善了電導率損失和交叉極化損失。同時，CTP和CMC之間的連接會產生許多極化位點，從而增強界面極化。通過改變Ni催化劑的量，可以調節CMC的生長，這也調節了CTP/CMC的阻抗。由于其豐富多樣的吸收機制，CTP/CMC-10取得了優異的MA性能。
圖6：CTP/CMCs吸波機制
綜上，通過鎳催化CVD工藝成功合成了集成螺旋CTP/CMC。CTP不僅是一種廉價高效的MAM，而且具有催化劑負載能力，使其適合作為CC生長的底物。CTP和CMC形成集成的MA復合材料，其中螺旋CMC同時增強導電損耗和交叉極化損耗，CTP和CMC之間的連接引起界面極化損耗。通過精確控制催化劑的量，可以調節CTP/CMC的阻抗。優化后的CTP/CMC-10復合材料具有優異的微波吸收性能，EAB為7.4 GHz，填充率為10%。這項工作促進了低成本、寬帶和高效MAM的發展。
課題組簡介
潘路軍，大連理工大學物理學院教授，博士生導師。1988年于西安交通大學電氣工程系電氣絕緣技術專業本科畢業；1994年赴日本大阪府立大學工學部電子物理專業留學。2000年獲博士學位并留校擔任助理教授，其間兼任日本科學技術振興機構（JST）及日本新能源和產業技術綜合開發機構（NEDO）研究員；2007年底回國工作，受聘大連理工大學教授，博士生導師。歷任物理與光電工程學院光電工程系主任、物理與光電實驗中心主任、光學學科點負責人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等國際著名納米期刊上發表論文80余篇；主編《基礎光學》，參編《ディスプレイ材料と機能性色素（顯示器材料和機能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》
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