当今社会已进入5G时代并迈向6G时代，以GHz电磁波为载体的通讯技术带来了高效的信息传输。但由于电磁波的高能量密度，给各类电子设备中的灵敏元件和使用者带来了严重的电磁干扰（EMI）及生物辐射问题。由于5G设备的广泛应用，特别是当5G设备扩展到复杂和极端的应用环境，包括海洋、酸雨和碱化学使用条件时，势必会引发吸波材料与器件的腐蚀失效问题。在此背景下，急需开发一种具有同步抵抗酸、碱、中性腐蚀的轻质吸波材料以满足高频电子设备在复杂环境实用化的发展需求。本工作利用石墨的化学惰性特征，合成了轻质二维石墨片层负载石墨包裹软磁合金纳米胶囊的纳米复合结构，有望实现吸波/多重防腐的双功能一体化特殊用途。本工作题目为“Bifunctional Two-DimensionalNanocomposite for Electromagnetic Wave Absorption and ComprehensiveAnti-corrosion”发表于Carbon（Carbon 186 (2022) 520-529）。第一作者为中国科学院金属研究所 (中国科学技术大学材料科学与工程学院)2020级博士研究生李帅贞，通讯作者为中国科学院金属研究所马嵩研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.10.055

本文亮点

1. 在非平衡条件下合成宏量二维石墨片层负载Ni3Fe@C纳米胶囊的新型纳米复合结构

2. 此结构在酸、碱和中性环境中均具有出色的防腐能力，系统分析其防腐机制

3.此类纳米复合结构具有良好的吸波特性，有效吸收带宽（R≤-10dB）达到5.5 GHz

4.发现了介电-磁性复合结构取得优化吸波性能的填充比例规律

5.以当前体系为模型，提出了吸波性能优化策略，为调控结构与吸波性能优化关系提供系统研究思路。

中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部，马嵩、张志东团队报道了一种可宏量制备的二维石墨纳米片负载Ni3Fe@C软磁纳米胶囊的电磁波吸收复合材料。仅30 wt%的二维纳米复合结构即可获得高达5.5 GHz的有效吸收带宽，几乎覆盖了整个Ku波段。此类纳米复合结构在酸、碱和中性腐蚀条件下基本保持原始微观结构，表现出优异的综合防腐能力，为复杂恶劣环境下的多功能电磁波吸收器件开发提供了新的材料选择。通过系统的结构调控得到优化的吸波性能，为吸波材料性能优化设计提供重要的思路。

Ⅰ双功能防腐吸波二维纳米复合材料制备

采用等离子体电弧蒸发技术，蒸发石墨和金属混合阳极，引入C2H3N作为新型催化氮源，一步法原位获得宏量二维石墨纳米片负载Ni3Fe@C软磁性纳米胶囊的纳米复合材料。制备过程见示意图1，（其中，改变Fe和Ni比例，分别标记为样品 S1、S2、S3 和 S4）

图 1.（a）二维纳米复合结构制备过程和应用示意图，（b）X射线衍射谱，插图包括晶体结构和产率，（c）S1-S4的拉曼光谱。

Ⅱ双功能防腐吸波二维纳米复合结构形貌

具有重叠褶皱边缘的典型二维石墨纳米片层负载直径为20-100 nm的核壳结构的球形纳米胶囊（图2），其中外壳和内核分别为石墨和Ni3Fe（或FeNi）。随阳极蒸发Fe含量增加，石墨纳米片逐渐转变为不规则形状或者棒状结构，这是由于除N催化作用外，增加的Fe含量对纳米片结构形成的催化作用。

图 2. (a-b) S2 的SEM，(c-e) S2 的TEM，(f-h) S4 的TEM，(i-k) S3 的TEM。

Ⅲ双功能防腐吸波二维纳米复合结构吸波性能

图3，以二维介电石墨纳米片为载体，负载软磁Ni3Fe@C纳米胶囊，可以实现良好的电磁匹配，进而获得优异的吸波性能。通过调制复合材料中磁性成分比例，可以改善电磁匹配性能，使阻抗匹配度D 和衰减常数a 实现最佳协同，得到EMW 吸收的最优化性能（最大有效带宽）。

图 3. (a) 30 wt%时S1-S4和 (e) S2 在30 wt%-60 wt%的 RL，(b) S1-S4在30 wt%和 (f) S2在30 wt%-60 wt%下的EAB，（c）S1-S4在30 wt%和(g)S2在30 wt%-60 wt%下的阻抗匹配度D，(d) S1-S4在30 wt%和(h) S2在30 wt%-60 wt%下的衰减常数a，(i) S2的RL-f-d 的3D彩色映射表面图，(j) S2 在 2 mm的 2D等高线图，(k)四个维度雷达图，(l) 带宽比较图。

Ⅳ双功能防腐吸波二维纳米复合结构腐蚀防护性能

图4显示，具备疏水性和化学惰性的纳米石墨片层和纳米胶囊的石墨外壳有助于二维纳米复合结构在三种盐溶液（酸、碱、中性）中表现出优异的耐蚀性。通过在三种不同腐蚀环境中浸泡720h，测得动电位极化曲线和电化学阻抗谱，材料显示出优异的耐蚀性，加速腐蚀实验与盐雾腐蚀实验（>200天）进一步证明了这种纳米复合结构的抗腐蚀特性。其耐腐蚀机制表现为纳米石墨的表面疏水与化学惰性阻碍了腐蚀现象的产生，如图4 (k)。

图4. (a) 三电极测试系统示意图，(b) 动电位极化曲线和 (c) 三种腐蚀条件下的Icorr和 Rp，(d) OCP值的演变，(e) Nyquist图，( f)Bode图和(g) 相位角图，(h)等效电路，盐雾试验前后的（i）SEM和（j）Raman，（k）腐蚀保护机制示意图。

本研究工作得到了科技部重点研发计划（No. 2018YFF01013604）以及国家自然科学基金（No. 51871219, No. 52071324和No. 52031014）的资助与支持。

团队简介

马嵩、张志东团队长期从事纳米复合吸波材料研究，在介电-磁性纳米复合的磁性纳米胶囊壳核结构合成与吸波性能研究上取得了很多重要成果，合成了大量石墨为外壳，软磁Fe、Co、Ni及其合金为内核的磁性纳米胶囊工作（Z. D. Zhang, J.Mater.Sci. Tech. 23 (2007), 1）。在吸波性能研究上，得到了石墨外壳调控Ni@C纳米胶囊吸波性能（Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 083116），CoxNi100-x内核调控纳米胶囊电磁匹配（Nanoscale 7 (2015) 17312），并诱发磁性内核自然与交换共振（Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 223113）等工作。在此基础上开发了具有抗高温氧化的Fe3Si@C，SiC纳米棒及空心碳纳米管等纳米吸波材料(Appl. Phys. Lett. 111 (2017) 223105，J. Mag. Mag. Mater. 502 (2020) 166518，Carbon 161 (2020) 252-258)，推动了纳米吸波材料的研究进展。