刘崇波/车仁超等：具有优异雷达隐身和隔热性能的金属有机碳气凝胶

研究背景

通过调节络合效应、溶液极性和固化速度，打破了原有金属-有机框架的粉末状态，一步反应简单制备了稳定的金属有机水凝胶(MOG)，冷冻干燥后得到花状空心管状堆叠气凝胶结构。随后，通过应用柯肯德尔效应，改变热解工艺得到了两种磁性金属耦合系统。FeCo/(氮掺杂碳)NC气凝胶在超低5%的负荷下表现出-85 dB的超强微波吸收。减少原子扩散反应时间后，得到了含有病毒状颗粒的FeCo/Fe₃O₄/NC气凝胶。由于双软磁粒子的耦合效应，在超薄厚度1.59 mm下对电磁波实现了7.44 GHz的超宽吸收，并通过计算机模拟技术(CST)模拟仿真了该材料在J-20飞机上的实际应用能力。此外，两种气凝胶均表现出优异的隔热性能。

Metal-Organic Gel Leading to Customized Magnetic-Coupling Engineering in Carbon Aerogels for Excellent Radar Stealth and Thermal Insulation Performances

Xin Li, Ruizhe Hu, Zhiqiang Xiong, Dan Wang, Zhixia Zhang, Chongbo Liu*, Xiaojun Zeng, Dezhi Chen, Renchao Che*, Xuliang Nie*

Nano-Micro Letters (2024)16: 42

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01255-7

本文亮点

1. 利用Fe3⁺、Co2⁺、H₃BTC和胶原蛋白肽，通过操纵络合效应和溶液极性，实现了稳定的FeCo-MOG/CP水凝胶的一步组装。

2. 通过优化热解反应，得到了含有病毒状和纳米球形两种磁性颗粒的氮掺杂碳气凝胶。

3. FeCo/Fe₃O₄/NC和FeCo/NC气凝胶表现出优异的隔热和雷达隐身性能。

内容简介

5G和6G通信技术造成民用材料的辐射污染问题，以及快速发展的探测技术导致军事武器能力下降，使得吸波材料成为研究热点。南昌航空大学刘崇波课题组与复旦大学车仁超教授、景德镇陶瓷大学曾小军教授等首次通过调节络合效应、溶液极性和固化速度，打破了原有金属-有机框架的粉末状态，一步反应简单制备了稳定的金属有机水凝胶(MOG)，并通过MOG作为前驱体开发了两种磁性碳气凝胶。得到的磁性粒子均匀分散在气凝胶的氮掺杂碳的基体上，并通过电子全息技术对样品的磁性粒子的耦合行为进行了分析，表明其具有良好的磁损耗能力。在氮掺杂碳的气凝胶骨架上镶嵌铁钴和四氧化三铁两种磁性粒子为电磁协同增强效应提供了平台。在2 °C/min的加热速率下，得到了FeCo/NC气凝胶，在5%的超低负载下，实现了-85 dB的超强电磁波吸收性能。具有半导体特性和低矫顽力的四氧化三铁磁性纳米颗粒有助于实现更好的阻抗匹配，减少吸收剂的匹配厚度。当加热速率提高到5 °C/min时，得到了FeCo/Fe₃O₄/NC气凝胶，它在1.59 mm的超薄厚度下具有7.44 GHz的有效电磁波吸收带宽。同时，计算机模拟技术(CST)仿真模拟实验也为材料的实际应用提供了思路和更多的可能性。此外，两种气凝胶均表现出优异的隔热性能。

图文导读

I 操控络合效应和溶液极性制备MOG

由图1所示，H₃BTC的羧基可以在多个方向上与金属离子配位。此外，在溶液的极性相互作用下，大量的金属-羧酸配位拉伸而产生胶束，它们捕获溶剂分子进一步形成金属-羧酸凝胶网络。值得注意的是，水凝胶的自组装受到许多因素的影响。例如，金属离子和配体浓度越大，凝胶形成速度越快；同时，纯醇溶液会导致凝胶过快形成，而醇-水混合溶剂有利于凝胶温和的形成，也有助于胶原蛋白肽(CP)分子增强网络结构。CP由于其丰富的羧基、氨基、羟基等官能团，表现出负电荷和亲水性。分子间疏水与亲水的相互作用使疏水部分向内聚集，暴露了亲水基团，从而增加了静电排斥。由于溶剂效应促进了水壳层形成，增强了粒子之间的空间位阻和机械位阻，减少了粒子的聚集和沉淀。从而实现了亲水性和疏水性之间的平衡，巩固了MOG体系。

图1. FeCo/NC和FeCo/Fe₃O₄/NC的合成示意图。

II  MOG及其衍生物的奇特微观结构

如图2a-c所示，冷冻干燥MOG后的干凝胶呈现空心管状结构，并堆叠成花状，这使得热解后气凝胶呈现多孔特性。图2d-i 为FeCo/NC-600, 700的扫描电镜图像。相比于FeCo/Fe₃O₄/NC，它拥有更大的孔洞和球状磁性纳米颗粒；图2m-l为FeCo/Fe₃O₄/NC-600, 700的扫描电镜图像，较少还原时间和较少的碳损失使得病毒状的磁性复合物镶嵌在类似华夫饼干的多孔结构上。病毒状复合物的突触就像天线一样，可以提高吸收和耗散电磁波的能力，而提高了吸波性能。

图2. a, b, c dry FeCo-MOG/CP的扫描电镜图像, d, e, f FeCo/NC-600的扫描电镜图像, g, h, i FeCo/NC-700的扫描电镜图像, j, k, l FeCo/Fe₃O₄/NC-600的扫描电镜图像, m, n, o FeCo/Fe₃O₄/NC-700的扫描电镜图像。

III  磁性气凝胶电磁特性表征

电子全息图显示了非均匀界面的存在(图3)。图3c-d显示，正电荷(蓝色)分布在碳侧，负电荷(黄色)聚集在磁粒子侧，形成微界面电容。在高频电磁场下，由于界面不同两侧的电荷相反，电偶极子反复旋转，从而加剧了界面极化损耗，提高了吸波性能。其次通过分析FeCo/NC-700在自由空间的磁通量线，观察到线性排列的FeCo纳米颗粒由于小尺寸效应产生了一排特殊的磁涡结构并相互耦合形成一个密集的磁网络，穿透碳层。此外，FeCo/Fe₃O₄/NC-600气凝胶中两种磁粒子的磁感应线耦合形成了一个大的半圆。耦合形成的巨大磁网络使得其更适合损耗厘米电磁波。值得注意的是，由于四氧化三铁在高频磁场下的矫顽力较低，其磁响应比FeCo快，与FeCo耦合后产生更高的弛豫损失，进一步提高了磁滞损耗能力。

图3. FeCo/NC-700、FeCo/Fe₃O₄/NC-600对应的a、b TEM图像及全息图，c、d电荷密度图，e、f 磁通量线。

IV 碳气凝胶优异的吸波性能

如图4所示，当填充比为5%时，FeCo/NC-700的RLmin在10.24 GHz时为-85 dB，厚度为2.9 mm，而最宽的fe在厚度为2.1 mm时为5.52 GHz。对于FeCo/Fe₃O₄/NC-600，在超薄厚度为1.59 mm时达到7.44 GHz，表现出最佳的应用性；在7.52 GHz时，FeCo/Fe₃O₄/NC-600获得最低反射损耗为-60.5 dB。

图4. aFeCo/NC-600、b FeCo/NC-700， c FeCo/Fe₃O₄/NC-600，和d FeCo/Fe₃O₄/NC-700的RL值。

V 碳气凝胶的隔热性能表征

通过hotdisk法测试得到 FeCo/NC-700和FeCo/Fe₃O₄/NC-600的导热系数分别仅为0.043和0.049 W/m K。此外，将气凝胶置于加热平台上，在180 ℃的温度下加热5 min，然后记录温度变化。热成像相机记录了两个样品的温度远低于加热台的温度(图5)，FeCo/NC-700和FeCo/Fe₃O₄/NC-600的温度分别在80.9 ℃和87.5 ℃左右保持稳定，表现出良好的隔热性能。由于FeCo/NC-700更疏松多孔，所以FeCo/NC-700的隔热性能略优于FeCo/Fe₃O₄/NC-600。

图5. FeCo/NC-700和b FeCo/Fe₃O₄/NC-600在180 C下的热红外图像图片。

VI CST模拟仿真材料实际应用

我们首次建立了一个J-20战斗机模型来模拟计算FeCo/Fe₃O₄/NC-600气凝胶的RCS值。如图6所示，在由PEC组成的J-20战斗机型号上涂覆厚度为2.44 mm的FeCo/Fe₃O₄/NC-600气凝胶，然后用7.52 GHz的平行电磁波扫射J-20战斗机，测试FeCo/Fe₃O₄/NC-600的雷达隐身性能。图5b-c显示，涂覆了FeCo/Fe₃O₄/NC-600气凝胶的J-20战斗机的RCS值明显低于未涂覆模型，证明了材料具有雷达隐身性能。通过横向J-20战斗机的RCS(图3d-f)和纵向(图3g-i)，发现FeCo/Fe₃O₄/NC-600材料可以有效降低J-20战斗机的RCS值，特别是对于附着大面积气凝胶的机翼。

图6. a涂覆气凝胶的J-20战斗机模型的CST仿真示意图；b PEC，和c FeCo/Fe₃O₄/NC-600分别涂敷J-20战斗机模型的三维RCS结果；d，e、f 横向和g、h、i纵向的极坐标结果。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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