浙工大车声雷/乔梁/郑精武/郑剑伟AFM：具有非匀质界面的多孔永磁/软磁复合氮化铁的微波吸收特性及表征

你是否担心无处不在的Wi-Fi、5G信号带来的电磁污染？手机发热、雷达干扰、甚至军事设备隐身难题，都指向同一个核心——高性能微波吸收材料。铁基磁性吸波材料因其微观结构可控和高饱和磁化特性而受到广泛关注，其中氮化铁以多种化合物形式存在，容易相互转换。而且随着新能源汽车的发展，特斯拉等车企启动“去稀土化”技术攻关。25年初美国Niron Magnetics公司建立全球首条氮化铁无稀土永磁体产线，进一步推动氮化铁材料的研究热度。

近日，浙江工业大学材料学院车声雷/乔梁/郑精武/郑剑伟团队在《

Advanced Functional Materials

研究亮点：多孔结构+异质界面，电磁波“有来无回”

这项研究中，一方面Fe₁₆N₂的制备受到前驱体尺寸的限制。团队奇思妙想利用盐辅助的喷雾热解工艺制备了纳米单元构成的多孔微米球形结构不但克服了纳米颗粒易烧结成大尺寸颗粒和大尺寸颗粒不易获得Fe₁₆N₂的难点，还使材料内部如蜂巢般布满微孔，电磁波进入后反复反射散射，最终“能量耗尽”。另一方面，传统铁基材料（如Fe₃O₄）虽能吸波，但阻抗匹配差、频带窄。团队另辟蹊径，通过低温氮化工艺，在Fe₁₆N₂（永磁相）表面“生长”出Fe₄N（软磁相），形成独特的异质界面。而异质界面有着其独特的魔力，它使得电荷在界面堆积，引发“极化效应”，将电磁波能量转化为热能。

图1：实验流程示意图。

图2：(a)喷雾热解得到的KCl和Fe2O3混合颗粒，(b)洗涤去除KCl后的多孔氧化铁颗粒，(c)还原氮化后得到的氮化铁颗粒的扫描电镜图像；(d)纳米单元的透射电镜图像，以及对应的(e)Fe元素分布、(f)N元素分布图； (g)、(h)高倍镜下晶格条纹。

研究设计与电磁性能

团队通过控制氮化工艺制备了不同永磁和软磁相占比的复合氮化铁颗粒，并整理了氮化铁氮化过程的各个阶段，由于制备Fe16N2的过程存在“极限氮化距离d”，当氮化颗粒尺寸大于d时，会产生高氮物，如Fe4N。通过矢量网格在2-18 GHz频率范围内测量了样品的相对介电常数和磁导率，对其电磁性能进行探究和分析。结果表明特殊的多孔结构和永磁/软磁复合使材料具备了优异的电磁波吸收性能。在Fe16N2和Fe4N含量分别为65%和4.6%的氮化铁粉末中，当匹配厚度为1.3 mm时，RL最小值为-48.27 dB ，EABmax为4.08 GHz。在Fe16N2和Fe4N含量分别为31.4 %和53.6 %的氮化铁粉末中，当匹配厚度为1.5 mm时，RL最小值为-49.18 dB ，EABmax为3.45 GHz。该研究为进一步探究纳米磁性材料在电磁波吸收领域的应用提供了新的思路。

图3：(a)不同氮化条件下的制得的A-F组氮化铁XRD衍射图, (b)Rietveld精修后获得的A-F组不同永磁/软磁相的含量。

图4：各组复介电常数的(a)实部和(b)虚部，(c)表示介电常数的正切值。各组复磁导率的(d)实部和(e)虚部，(f)表示磁导率的正切值。

图5：各组的二维和三维反射损耗与频率和厚度的关系。

图6：各组在最佳电磁波吸收性能下的阻抗匹配。

研究机理：多重吸波机制，电磁波“一网打尽”

多孔永磁/软磁复合氮化铁的电磁波吸收机制主要如下：a)永磁/软磁复合使材料有着更好的阻抗匹配特性，加速了电磁波进入材料而不是在表面反射。b)纳米小单元构成的多孔结构促进了电磁波在内部的多次散射和折射，而且其存在许多导电网络和电荷转移通道，促进电磁波能量的耗散。c)永磁和软磁相的复合带来了更多的异质界面，空间电荷聚集在异质界面处引起界面极化，而且氮原子进入晶格造成了更多的晶格缺陷引起偶极化，增加了其介电损耗能力。d）永磁和软磁材料不同磁导率和磁特性共同作用带来了良好的磁共振效果，增强了其磁损耗能力。

图7：永磁/软磁（Fe16N2/Fe4N）复合氮化铁的电磁波吸收机理。

小结

作者通过盐辅助喷雾热解和还原氮化工艺，充分利用了氮化铁无稀土永磁材料制备过程的特点，制备了纳米单元构成的多孔永磁/软磁复合氮化铁，具有良好的微波吸收特性，提供了磁性材料在电磁波吸收领域应用的新思路。同时，该材料工艺简单易于工业生产，有望未来得到实际应用。

【通讯作者简介】

乔梁浙江工业大学副教授，研究领域（1）永磁复合材料（2）软磁复合材料（3）氧化铝、氧化锆、氮化铝陶瓷材料（4）陶瓷注射成型（CIM）

【第一作者简介】

郑剑伟浙江工业大学在读博士研究生，研究方向：永磁材料

来源：高分子科学前沿

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