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蛋白石结构(Opal based structure)和反蛋白石结构(Inverse-Opal-based structure)的三维有序多孔碳材料封装Co/Co3O4吸波复合材料(Co@Co3O4/NMCS和Co@Co3O4/NMmC)
发布时间:2021-03-29     作者:zzj   分享到:

自然界许多物质具有目前人工系统无法比拟的电磁波响应能力。澳洲宝石(Opal)是一种由二氧化硅纳米微球沉积而成的蛋白石,其色彩缤纷的外观与色素无关,而是因其几何结构上的周期性使它具有光子能带结构,随着能隙位置不同,反射光的颜色随之变化。有课题组通过模板法制备出了具有蛋白石结构(Opal based structure)和反蛋白石结构(Inverse-Opal-based structure)的三维有序多孔碳材料封装Co/Co3O4吸波复合材料(Co@Co3O4/NMCSCo@Co3O4/NMmC),探索了这两种具有多级孔结构的碳基吸波复合材料在微波频段对电磁波的响应规律,研究了不同组分构成的吸波复合材料在1-18 GHz频段电磁吸波效果,并对材料应用于复杂结构上的雷达散射截面缩减效果进行了仿真研究。

以下是相关的图文解析:

1 三维有序多孔Co@Co3O4/NMCS设计与制备示意图

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测试结果表明,这种三维有序多孔碳基吸波复合材料在1-18GHz频段范围内表现出了优异的电磁波吸收性能,在5.7 GHz下电磁反射损耗达到了-53.8 dB

2 不同Co@Co3O4含量的Co@Co3O4/NMCS电磁反射损耗云图和性能曲线

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这种基于Opal微观结构所设计制备的三维有序多孔碳基吸波复合材料表现出良好的吸波性能,研究人员认为主要的电磁波响应和损耗机理可以归因于如下几点:(1)和固体结构相比,这种仿生设计的多级孔结构有利于降低结构的密度和复介电常数,使得多数电磁波可以进入到吸波体内部实现良好的阻抗匹配,也有利于扩展电磁波的吸收频带宽度;(2)有序排列的三维多孔碳球不仅能形成导电网络实现电损耗,还有助于电磁波在周期性结构内部以及多尺度界面进行散射和多重反射,提升材料将电磁能转换为热能的能力;(3)多孔碳球上大量缺陷和杂原子的官能团可以产生费米能级的局域化态,也有利于电磁波的吸收和衰减;并且碳基材料自身易实现电子传输,可以通过极化弛豫实现电磁波能量消散;(4)磁性的Co@Co3O4纳米球引入到多孔碳球上,能继续改善多孔碳球与空气介质的阻抗匹配,并引入了以涡流损耗和自然共振为主的磁损耗,这种介电损耗和磁损耗的协同作用进一步增强了材料的吸波性能。

3 三维有序多孔Co@Co3O4/NMCS的电磁波损耗和吸收机理示意图

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为进一步验证该吸波复合材料对电磁波的吸收和抑制效果,研究团队将其涂覆在典型的平面缝隙结构和复杂三维结构上,对结构相应的雷达散射截面(RCS)缩减效果进行了仿真研究。研究结果表明,这种复合材料作为吸波涂层使用可以有效抑制缝隙、二面角等对雷达波有强散射作用结构所产生的反射波、绕射波和行波等,大幅缩减原有结构的RCS,能够在雷达波段实现良好的隐身效果。

4 Co@Co3O4/NMCS在金属上典型缝隙结构应用的仿真研究

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