液态金属表面包覆羰基铁颗粒实现电磁波吸收性能的显著增强
谢康,张琴*，陈枫*,傅强
异质界面的显著优势及其独特的电磁特性极大地促进了先进电磁波吸收器的设计。然而，实现更快、更简单地制造高性能电磁波吸收材料的异质界面仍然是一个重要但具有挑战性的研究焦点。本文提出了一种制备核壳杂化的新方法，即在球形羰基铁颗粒（CIP）表面涂覆一层GaInSn液态金属（LM）涂层，从而形成一个调节介电损耗的非均质界面。结果表明，这些异质界面可以有效地控制极化损耗，平衡磁性材料的阻抗匹配，提高电磁波吸收。以PDMS/CIP复合材料为例，CIP表面仅涂覆5 wt %的涂层，在厚度为1.96 mm时，反射损耗为-65.94 dB，是相同质量的羰基铁的3.9倍。密度泛函理论计算表明，缓冲层增强了电子转移和电荷平衡，改善了极化和EMW吸收。雷达截面仿真结果表明，CIP@LM有效地降低了EMW在战斗机上的散射和传输，具有良好的实际应用潜力。本研究结果阐明了金属-金属异质界面与EMW耗散之间的复杂相互作用，阐明了磁性材料阻抗匹配背后的机制。
图1 (a) 制备过程示意图和(b) CIP@LM界面极化示意图。
图2(a-d)LM-0、LM-2.5、LM-5、LM-7.5和LM-10的扫描电子显微镜(SEM)图像。(e-e4) CIP@LM的微观结构和元素分布的SEM图像。(f,f1)LM-5的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。(f2)CIP的逆快速傳里叶变换(IFFT)图像。(f3)CIP的(200)晶格图像。(g-g2)LM-5的选区电子衍射(SAED)图像。(h) LM-0、LM-2.5、LM-5、LM-7.5和LM-10的XRD图谱。(i-k)LM-0和LM-5的XPS光谱，LM-5的Ga 2p和Fe2p光谱。
本研究通过在羰基铁（CIP）颗粒表面包覆一种由Ga、In、Sn等元素组成的液态金属（LM）层，成功构建了CIP@LM核–壳杂化材料。SEM、EDS、HRTEM、FIB等多种表征手段表明，该材料在微观尺度上确实呈现出核–壳结构，并在界面处产生异质结。XRD及XPS分析进一步确认了CIP的晶体结构和LM的存在形式。异质界面结构能显著提升材料的电磁波吸收性能，为磁–介电复合吸波材料的设计与应用提供了新思路。
图3 (a-d1)展示了LM-2.5、LM-5、LM-7.5和LM-10的电磁波吸收特性，通过三维和二维反射损耗RL图表示。(e)最小RL和相应的厚度。(f)EAB和相应的厚度。(g)RLmin的折线图和EAB的柱状图。
通过计算研究材料的吸波性能，围绕在羰基铁粒子（CIP）表面包覆液态金属（LM）层来提高电磁波吸收性能（EMWA）。结果表明，随着LM含量的增加，材料的反射损耗（RLmin）先显著降低而后回升，其中LM-5在约1.96 mm厚度时达到–65.94 dB的最优吸波性能。进一步研究显示，LM含量过高会导致阻抗失配，从而降低吸波能力。通过1/4波长理论与阻抗匹配分析（|Z?? / Z?|），可知LM-5在高频与超薄厚度条件下匹配度更优。对复数介电常数和磁导率的分析表明，LM的高导电性及LM–CIP异质界面形成的界面极化，有助于提升介电与磁损耗效果。利用Debye理论解释弛豫过程，证实了更强的界面极化与弛豫可进一步提高吸波效率。总体而言，LM包覆CIP颗粒所形成的核–壳结构能在电磁波吸收中提供良好的介电与磁损耗，且阻抗匹配较高，展现了优异的吸波性能，为高效吸波材料的设计与制备提供了重要参考。
图4（a, b）通过计算样品界面间典型晶体平面得到的表面功函数。CIP和LM异质结的能带对准金属-金属接触前后，真空能（Evac），费米能级（Ef），功函数(Φ)，表明CIP与LM的接触可以触发界面电荷的重新分配。(c) in的z轴电荷密度差(g)。(d) LM-5的表面电位。（e, f） CIP@lM的电荷密度差。(g)异质结构界面原子模型（深蓝色：Ga，绿色：In，黄色：Sn，蓝色：Fe）。(h) DFT计算的CIP@LM异效电荷密度差的侧视图，蓝色和黄色区域分别表示电子耗尽和积累。（i, j）电子传递机理示意图。
进一步通过DFT与KPFM分析分析其内部机理，CIP与LM之间的功函数差异导致了电子从CIP向LM的转移，而金属–金属层缓冲结构有效促进并维持了这一过程。界面处的电荷积累与再分配形成较强的界面极化效应，从而显著提升了材料的电磁波吸收性能。这些结果不仅揭示了材料电磁损耗行为的根本原因，也展现出CIP@LM在未来电磁波吸收应用中的广阔前景。
图5 (a) CST模拟示意图。（b, c）PEC衬底和涂有CIP@LM的PEC的三维RCS图，尺寸：200 mm x 200 mm x 1.96 mm。(指定探测角度下样品的dRCs值。(e)涂有CIP@LM涂层的F-35战斗机。(f, g)战斗机在10 GHz处的水平和垂直极化的前视RCS。（h, i）飞机在10 GHz时水平和垂直极化的俯视图RCS。
通过模拟验证该材料在实际应用中的效果，对PEC金属基底和F35战机模型的雷达截面积（RCS）仿真结果表明，CIP@LM涂层可在多种角度和极化方式下显著降低电磁散射信号。其中，LM-5涂层在12.22 GHz时削减最高达34.96 dB m?的RCS，LM-7.5覆盖F35机体亦能明显减弱散射强度，证实其在金属目标的隐身与电磁波吸收应用中具有优异性能，为先进航空和国防装备提供了潜在的低可探测性设计方案。
图6 CIP@LM复合材料微波衰减机理
本研究，采用制备了核壳CIP@LM微球。可控的涂层厚度和磁结构调节了电磁性能，实现了介电-磁平衡。优化后的CIP@LM微球具有宽带EMW吸收性能，在厚度为1.96 mm时，反射损耗为-65.94 dB，是相同质量羰基铁的3.9倍。LM表面修饰增强了导电损耗，形成金属-金属异质界面和晶格缺陷，显著增加了介电损耗。DFT计算和表面电位测量证实了缓冲层的形成，促进了电子转移，平衡了功函数，诱导了电荷的重新分配，从而改善了界面极化和EMW吸收。此外，RCS模拟证明了核壳CIP@LM微球的优异RCS降低，为设计有效吸收EMW的多孔磁性材料提供了见解。研究结果突出了CIP@LM复合材料在EMW吸收和隐身技术方面的实际应用潜力。
相关成果以“Largely Enhanced Electromagnetic Wave Absorption via surface coating of Carbonyl Iron Particle by Liquid Metal” 发表在Journal of Materials Chemistry A 上。文章第一作者为四川大彩票大全软件高分子科彩票大全软件与工程彩票大全软件院博士生谢康， 通讯作者为四川大彩票大全软件高分子科彩票大全软件与工程彩票大全软件院陈枫教授和张琴教授。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d4ta06005a