西北工业大学顾军渭教授AFM：新型钴基磁性吸收体实现高效宽带微波吸收

微波吸收材料在雷达隐身、信息安全和通信技术等领域具有重要应用，推动了对性能精确可控的微波吸收体的迫切需求。尽管纳米尺度结构设计被认为是调控微波吸收性能的关键手段，但目前仍缺乏基于合成条件、微观结构与性能之间关系的定量预测理论，且合成过程很大程度上依赖实验探索，存在明显的“黑箱”效应，这严重制约了高性能微波吸收材料的创新设计与性能突破。

近日，西北工业大学顾军渭教授、张雅莉副教授和‌陕西应用物理化学研究所韩克华合作提出了一种基于多平衡/竞争反应的策略，成功制备出形貌可调的钴基微波吸收体。其中，核壳球形钴（CS-SC）由于优化的阻抗匹配和界面效应，展现出卓越的微波吸收性能：在2.1毫米厚度下，其有效吸收带宽（EAB）达8.3 GHz（9.7–18.0 GHz），最小反射损耗（RLmin）低至–51.6 dB。雷达散射截面（RCS）模拟进一步证实，该材料在–90°至90°的宽入射角范围内具有低RCS值（约–20.0 dB·m²）。该研究为通过溶剂热法实现磁性吸收体的微观结构工程与性能调控提供了新思路。相关论文以“Hierarchical Heterogeneous Co-Based Magnetic Absorbers for Superior Broadband High-Efficiency Microwave Absorption”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过溶剂热还原法构建了多平衡/竞争反应路径，实现了球形钴（SC）、核壳球形钴（CS-SC）、片状钴（FC）和核壳片状钴（CS-FC）四种不同形貌的可控制备。扫描电子显微镜图像显示，SC尺寸约为200纳米，表面具有颗粒状突起；CS-SC尺寸约1微米，表面覆盖大量层状结构；FC尺寸约2.5微米，表面较为光滑；而CS-FC表面则具有与CS-SC相似的壳层结构。X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明，SC主要由面心立方钴构成，表面存在少量未完全还原的钴氧化物；FC则包含面心立方钴、六方密堆积钴、CoOOH和Co(OH)₂；CS-SC与CS-FC均具有典型的核壳结构，核部为面心立方钴和六方密堆积钴，壳层则由钴氧化物组成。

图1：制备与结构表征 a) 钴基微波吸收体制备过程示意图。 b) SC的SEM图像。 c) CS-SC的SEM图像。 d) FC的SEM图像。 e) CS-FC的SEM图像。 f₁) XRD图谱。 f₂) XRD精细图谱。 g) SC、CS-SC、FC和CS-FC的XPS图谱。 h) 晶体结构示意图。

在成核与熟化过程分析中，研究人员通过调节pH值、还原剂用量、反应时间与加料顺序，验证了钴基吸收体核层与壳层的可控制备能力。当成核阶段存在强还原剂N₂H₄与大量OH⁻时，体系快速还原形成球形结构；而当仅有OH⁻时，则通过缓慢结晶-还原过程形成片状结构。在熟化阶段，通过调控N₂H₄含量，可实现对壳层形貌的精细控制，从大量细小片层逐渐转变为少量粗大片层结构，这一过程由Ostwald熟化机制驱动，N₂H₄作为配体调控Co²⁺的溶解-沉淀平衡，从而加速熟化动力学。

图2：钴基微波吸收体的成核与熟化过程分析 a) 成核与结晶过程分析及钴的Pourbaix图示意图。 b₁) 片状Co(OH)₂的SEM图像。 b₂) Wulff多面体钴的SEM图像。 b₃) 桑葚状钴的SEM图像。 c₁) SC-1的SEM图像。 c₂) SC-2的SEM图像。 c₃) SC-3的SEM图像。

电磁性能测试显示，CS-SC与CS-FC具有较高的介电损耗能力，其介电常数虚部和损耗正切显著高于SC与FC。本征电导率测试中，CS-FC最高达28.5 S·m⁻¹，这与其较大的尺寸、复杂形貌和较少晶体缺陷有关。通过改进的Debye模型拟合发现，CS-SC与CS-FC的介电损耗主要来自极化损耗，核壳界面、氧空位与晶体缺陷为极化提供了大量位点。在磁性能方面，CS-SC与CS-FC的磁损耗能力明显优于SC与FC，CS-FC的饱和磁化强度最高，达144.2 emu·g⁻¹。衰减常数分析进一步表明，CS-SC与CS-FC在8.0–18.0 GHz频段内具有频率依赖的多重电磁损耗机制。

图3：钴基微波吸收体的电学与磁学性能 a) 介电常数实部（ε′） b) 介电常数虚部（ε″） c) 介电损耗正切（tan δ） d) 本征电导率 e) 介电损耗电导分量拟合值 f) 介电损耗极化分量拟合值 g) 磁导率实部（μ′） h) 磁导率虚部（μ″） i) 磁损耗正切（tan μ） j) 磁滞回线 k) 衰减常数（α） l) SC、CS-SC、FC和CS-FC的C₀值

在吸收性能评估中，CS-SC在2.1毫米厚度下表现出8.3 GHz的有效吸收带宽，最小反射损耗为–51.6 dB，远优于其他样品。RCS模拟结果显示，涂覆CS-SC的完美导体模型在X与Ku波段具有最低的RCS值，在宽入射角范围内（–90°至90°）其RCS值降至–21.3 dB·m²，显示出优异的宽角吸收能力。能量分布模拟进一步证实，CS-SC与CS-FC能有效引导微波能量进入材料内部并被吸收。此外，将CS-SC与芳纶纳米纤维复合制成吸收贴片应用于通信设备芯片，可将电场辐射值从700 V·m⁻¹显著降低至20 V·m⁻¹，展现出在民用领域的广泛应用潜力。

图4：钴基微波吸收体的吸收性能 a–d) SC、CS-SC、FC和CS-FC的微波吸收性能二维投影图 e) SC、CS-SC、FC和CS-FC的有效吸收带宽比较 f–i) SC、CS-SC、FC和CS-FC随厚度变化的微波吸收性能谱图 j) 本工作与已发表工作的微波吸收性能对比 k–n) SC、CS-SC、FC和CS-FC的RCS三维模拟图 o) SC、CS-SC、FC和CS-FC随微波入射角变化的RCS谱图 p–s) 微波通过SC、CS-SC、FC和CS-FC时的能量传输模拟图 t) 应用CS-SC微波吸收复合材料前后的电场辐射值对比

本研究通过乙二醇溶剂热法成功设计并构建了具有不同形貌与微观结构的钴基微波吸收体，系统阐明了其制备机制与电磁响应行为。引入核壳结构显著增强了界面极化损耗并优化了阻抗匹配，使CS-SC在X与Ku波段表现出卓越的宽带吸收性能与低RCS特性。该工作为磁性金属宽带微波吸收材料的可控制备与实际应用提供了重要理论与实践参考。