基于使用 Ni 和 $Ni / rGO$ 制备双吸收剂，以制造宽带微波吸收的双蜂窝嵌套结构

刘少康，张芳欣，赵斌，傅文欣，邓凯欣，李燕，吴海华 *
中国三峡大学机械与动力工程学院，宜昌，443002，中国

文章信息

处理编辑：王浩博士

关键词：

  尼
rGO
  蜂巢
  嵌套结构

微波吸收特性

摘要

设计具有结构支撑的吸收器以实现超宽带和宽角度吸收特性，对于解决日益严重的电磁污染问题至关重要。在本研究中，提出了一种策略，通过将不同材料应用于不同结构，然后将这些不同结构嵌套，进一步拓宽结构吸收器的带宽。使用 Ni 和 rGO 作为吸收器制备了六种复合材料，并利用 3D 打印技术制造了双蜂窝嵌套结构。这两种复合材料的最小反射损失（RL）分别为-19.3 dB 和-15.8 dB，有效吸收带宽（EAB）为 4.6 GHz 和 4.4 GHz，展示了机械兼容性和电磁替代性。双蜂窝嵌套结构采用了多尺度设计方法，实现了高达 14.27 GHz 的宽带吸收和 5.92 MPa 的抗压强度。此外，在入射角范围 $0^{\circ} - 40^{\circ}$ 内观察到了横电（TE）波的稳定频率响应，而当横磁（TM）波的入射角从 $0^{\circ}$ 变化到 $60^{\circ}$ 时，吸收频率超过了 12 GHz，突显了宽角吸收特性。材料和结构的双复合制备策略为吸收器制造提供了一个新的视角，以进一步扩展吸收器的带宽。↳

1. 引言

随着信息技术的快速发展，卫星通信和超宽带雷达等新型多频高功率电子设备经历了爆炸式增长[1]，这引起了人们对电磁辐射的关注，因为它对人类健康和电子设备安全可能构成威胁。开发高性能吸收材料（如图 1 所示）在应对这一情况中至关重要。设计和制造具有不同成分的吸收复合材料已被证明是调节电磁波吸收特性的有效方法[2]。目前，磁性材料和碳材料被认为是高效的吸收材料。磁性材料主要包括过渡金属

Fe, Co, Ni

及其氧化物，具有丰富的磁损耗机制和良好的阻抗匹配特性[3]。其中，镍因其高稳定性和丰富的储量，以及由于其高饱和磁化强度和丰富的磁损耗机制而导致的宽带吸收特性而脱颖而出，使其成为一个重要的

用于制备吸收材料的金属[4]。赵等人[5]利用溶剂热法制备了不同尺寸的镍亚微米球，当镍与石蜡按比例

7 : 3

混合时，表现出最低反射损失(RL)为-17.3 dB，有效吸收带宽(EAB)为 3.2 GHz，展示了镍颗粒在宽带吸收方面的潜力。然而，实现理想的吸收性能显然需要非常高的含量，这在轻量化和效率的角度上是不利的[6]。另一方面，碳材料，包括单壁碳纳米管(SWCNTs)、碳纤维和石墨烯，由于其轻量和良好的介电损耗性能，在微波吸收领域展现出独特的优势[7,8]。石墨烯具有较大的比表面积、较小的纳米尺度尺寸和可调的介电特性，已被广泛研究[9]。王等人[10]使用化学还原的氧化石墨烯在 7 GHz 下实现了-6.9 dB 的微波吸收强度，发现残余缺陷和功能团可能有利于电磁波的吸收。值得注意的是，纯还原碳材料由于载流子迁移率高，表现出较差的微波吸收性能，以及简单的石墨烯基体

通常无法实现阻抗平衡。因此，将碳材料与磁性材料复合形成磁电复合材料提供了一种有效的方法来实现阻抗匹配和同步吸收特性 [11,12]。Liu et al. [13] 制备了

Ni / rGO

复合材料，其中 rGO 薄片形成的网络结构赋予材料出色的电磁波衰减性能，反射损失 (RL) 达到 -53.11 dB，覆盖带宽为 4.91 GHz。此外，复合材料表现出多种损耗机制和令人满意的阻抗匹配。

然而，由于材料固有的限制，实现更广泛频率范围（大于 10 GHz）的吸收极具挑战性。结构电磁波吸收器应运而生，因为它们可以有效调节复合材料的阻抗匹配和吸收带，受到广泛关注[14]。结构吸收器主要从两个角度进行设计：一个是极端条件下（如高温和高压）或化学诱导合成下微观结构的设计与控制，另一个是吸收材料与宏观结构设计的结合[15]。不可否认，微观结构的设计可以实现更强的吸收性能，但严格的制备方法限制了它们的设计和开发，使得宏观结构设计成为一种发展趋势[16]。周期性结构由于能够在结构单元内限制电磁波[17]，在结构吸收器的设计中得到了广泛探索，例如金字塔和蜂窝结构得到了广泛研究[18]。蜂窝结构具有多角度界面，为电磁波耗散提供了良好的基础，结合高强度与重量比，为吸收材料提供了低密度支持，使其在微波吸收领域得到广泛应用 [19]。崔等人。[20] 提出了一个蜂窝夹层结构，将蜂窝内部电磁波的多重散射归因于不同的折射率

指标。目前，单一简单结构的设计已被广泛探索。为了进一步拓宽吸收带宽，Zhou et al. [21] 提出了一种结合分层结构和多壁碳纳米管/石膏超材料的周期性图案的新策略，通过优秀的阻抗匹配和多尺度集成结构引起的协同多重电磁波损耗，在

4 - 40 GHz

频率范围内实现了 -21.6 dB 的平均吸收强度。

将多种材料应用于同一结构已被证明可以增强吸收器的吸收带宽。在这里，提出了一种策略，通过基于将不同材料应用于不同结构的方式，进一步拓宽结构吸收器的带宽。首先，使用周期性结构可以将电磁波限制在结构单元内，其次，蜂窝结构的多角度界面导致电磁波的更多散射和折射。在此基础上，嵌套双蜂窝结构增强了多角度界面的多样性。最后，在结构内部使用电磁复合材料进一步衰减和吸收入射的电磁波，最终实现更宽的频率和更宽的角度吸收效果。

在本研究中，设计并整体制造了一种使用 Ni 和

Ni / rGO

作为吸收体的双蜂窝嵌套周期结构（如图 2 所示），采用熔融沉积建模（FDM）。使用 CST 进行了有限元仿真，以探索优化结构的最佳材料分布和几何参数。仿真结果表明，厚度为 20 mm 的结构在

5.53 - 18 GHz

频率范围内实现了低于-10 dB 的有效吸收，而实验测量则在

3.73 - 18 GHz

范围内显示了有效吸收。基于实验和仿真结果，讨论了电磁吸收机制，为通过多种材料和结构的嵌套组合高效制备吸收体铺平了道路。

图 1. 吸收体发展的示意图。

图 2. 蜂窝嵌套结构示意图。

该结构通过使用 CST 进行雷达散射截面（RCS）模拟来评估其隐身性能。

2. 实验部分

2.1. 材料

镍粉（粒径

2 - 3 μ m

）是从清河兴荣源金属材料有限公司（河北，中国）购买的。还原氧化石墨烯（比表面积

620.24 m^{2} / g

）由宜昌新城石墨（湖北，中国）提供。聚乳酸（PLA）是从 NatureWorks Inc（明尼苏达州，美国）获得的。热塑性聚氨酯（TPU）是从拜耳公司（勒沃库森，德国）购买的。

2.2. 材料和结构的准备

双蜂窝嵌套结构的制备过程如图 3 所示。首先，将 PLA 粉末放入电恒温气流干燥箱中，在

55^{\circ} C

下干燥 6 小时以去除水分。其次，将 rGO、Ni 和 PLA 粉末与等质量的氧化锆一起放入球磨机中，以

25 r / \min

的速度混合 5.5 小时，以获得复合粉末，记作 N3、N5、N7、NR1、NR2 和 NR3，其配方成分见表 1。球磨后的复合粉末被送入单螺杆挤出机中制备复合丝（熔融温度

170^{\circ} C

，挤出温度

180^{\circ} C

）。最后，使用双喷嘴打印机（Allcct Tank 型）打印结构。打印温度设定为

180^{\circ} C

，构建板温度为

80^{\circ} C

，填充密度为

100 %

，打印速度为

25 mm / s

。

图 3. 结构制备过程的示意图。

表 1
复合公式。

名称	含量 (wt%)
名称	尼	RGO	PLA	TPU
N3	30	0	63	7
N5	50	0	45	5
N7	70	0	27	3
NR1	30	1	62.1	6.9
NR2	30	2	61.2	6.8
NR3	30	3	60.3	6.7

2.3. 特征描述

同轴环（内径 3.04 毫米，外径 7 毫米，高度 2.5 毫米）、拉伸样品（GB/T 1040.1-2006 标准 1BA 样品）和双蜂窝嵌套结构吸收器（

180 \times 180

\times 20 {mm}^{3}

）是使用 FDM 制造的。电磁参数使用矢量网络分析仪（R&S ZNA，罗德与施瓦茨）进行测试。双蜂窝嵌套结构吸收器的反射率使用微波暗室中的弓形方法进行测量。样品的抗压强度使用万能试验机（WDW-100E）进行测试。复合材料的微观结构使用场发射扫描电子显微镜（JSM-7500F）进行表征。利用透射电子显微镜（JEM-2100plus）观察 rGO 的微观结构。复合材料的相组成使用 X 射线衍射仪（Ultima IV XRD）进行分析。复合材料的石墨化程度使用共聚焦拉曼光谱仪（Thermo Scientific DXR）进行表征。复合材料的磁性特性使用振动样品磁强计（SQUID-VSM）进行研究。

3. 结果与讨论

3.1. 材料的微观表征

材料的粉末微观结构如图 4 所示。图 4a-c 分别描绘了 N3、N5 和 N7 的复合粉末图像。可以观察到，随着更多 Ni 的添加，表面上 Ni 颗粒的分布变得更加密集。另一方面，图 4d-f 分别显示了 NR1、NR2 和 NR3 的复合粉末图像。在图 4d（NR1）中，PLA 基体的表面相对光滑，而随着 rGO 量的增加，基体上出现了更多的层状结构，表明基体上包裹了更多的 rGO（图 4 e 和 f）。图 4g 展示了纯 Ni 粉末的形态，其中磁性 Ni 颗粒倾向于聚集，形成较大的颗粒，表面有一些尖锐的突起和皱纹。这些突起和皱纹有利于电磁波的折射和反射。图 4h 和 i 显示了 rGO 的高倍和低倍扫描电子显微镜图像，分别揭示了其多孔和层状结构。这些结构可以通过散射增强材料内部电磁波的传输路径，并通过促进电子在空间中的传输来改善导电过程中的损耗，这得益于材料的介电特性。此外，图 4k 展示了 rGO 和 Ni 聚集体的局部分布。C 在 Ni 上的分布表明，一些 rGO 包裹在 Ni 周围，可能形成一种三明治结构以增强电磁损耗，而不仅仅是包裹在基体 PLA 矩阵周围。

材料的相组成和性质的表征如图 5 所示。由于仅含有镍金属的复合材料缺乏碳结构和石墨化，因此拉曼光谱表征仅限于样品 NR1-NR3。如图 5a 所示，

I_{D} / I_{G}

的比率通常用作材料石墨化程度的定量描述，较高的比率表明

图 4. 材料微观结构。粉末的 SEM 图像 a) N3, b) N5, c) N7, d) NR1, e) NR2, f) NR3, g) 纯 Ni, (h, i) rGO, j) rGO 的 TEM 图像, k)

Ni, O

和 C 的 EDS 映射。

图 5. 材料表征。a) 拉曼，b) 磁滞回线，c) XRD。

更多缺陷和显著的碳结构 [22]。样品 NR1、NR2 和 NR3 的

I_{D} / I_{G}

值分别为

0.873, 0.895

和 0.879，其中 NR2 的比率最高。添加更多的 rGO 并不一定增强复合材料内部碳结构的形成。过量的 rGO 可能导致材料内部的聚集，导致空间结构的崩溃和压缩，这与通过添加 rGO 引入空间结构特征的初衷相悖。此外，绘制了滞回回线以进一步表征复合材料的磁性。

添加了磁性颗粒 Ni。NR1-NR3 样品的磁性特性与 N3 样品一致，因为复合材料的磁性仅与添加的磁性颗粒的含量有关。图 5b 中样品的滞回回线呈现 S 形并具有明显的滞后，表明材料具有软铁磁特性[23]。此外，饱和磁化强度从

18.3 emu / g

增加到

37.9 emu / g

，表明引入更多的磁性颗粒使材料具有更强的磁性。下面在图 5c 中是特征曲线。

个别材料的中间是 Ni 复合粉末，上方是 rGO 和 Ni 的复合粉末。在

2 θ = {44.3}^{\circ}, {51.6}^{\circ}

和

{76.1}^{\circ}

处观察到三个共振峰，分别对应于(111)、(200)和(220)晶面，表明 Ni 的 FCC 结构[24]。在

2 θ = {19.8}^{\circ}

和

{22.6}^{\circ}

附近观察到两个共振峰，分别对应于 PLA。在 N3-N7 复合材料中，可以观察到 Ni 共振峰的强度逐渐增加，这与 Ni 含量的增加一致。

3.2. 复合材料的机械性能

六种复合材料的机械性能进行了测试。标准拉伸试样被夹在一台电机械万能试验机上，并以 5

mm / \min

的速度进行拉伸试验，直到试样断裂。这个过程重复了三次，数据被记录并绘制在图 6 中。显然，样品 N3-N7 的断裂伸长率显著高于样品 NR1-NR3，这归因于由于添加 rGO 而导致的基体接触面积的减少。在拉伸强度方面，随着材料比例的增加，整体呈现出下降趋势，这与材料的基本机械性能一致，因为增加的材料含量阻碍了基体之间的连接。然而，少量颗粒的引入可以增强机械性能，正如从 N3 到 N5 的机械增强所证明的。此外，N7 和 NR2 的断裂伸长率和拉伸强度表现出相对接近的值，表明在结构复合材料应用中潜在的材料兼容性和适用性。

3.3. 复合材料的电磁吸收特性

为了研究材料的电磁特性，使用同轴法测试了复介电常数 (

ε = ε^{'} - j ε^{''}

基于使用 Ni 和 Ni / rGO Ni / rGO Ni//rGO\mathrm{Ni} / \mathrm{rGO} 制备双吸收剂，以制造宽带微波吸收的双蜂窝嵌套结构