哥廷根大学张凯、南航何建平/安工大夏伟《AFM》突破性进展！新型镍-碳基纳米管材料助力高效电磁波吸收

研究背景：高效吸波材料的需求与挑战

随着现代科技的快速发展，对电磁波的控制提出了更高要求。理想的电磁波吸收材料需满足以下特性：

1.高吸收性能：能够有效减少电磁波反射，吸收尽可能多的能量。

3.宽带宽：适用于从微波到毫米波的广泛频段。

3.轻量化：在满足性能要求的同时，保持低密度，便于实际应用。

然而，传统吸波材料如碳基材料和金属复合材料，尽管表现不俗，但在吸收带宽、填充量和轻量化设计等方面仍有诸多局限。因此，科学家们一直致力于探索新材料和新结构，以进一步提升吸波材料性能。

研究亮点：从结构创新到性能突破

哥廷根大学张凯教授、南航何建平教授与安徽工业大学夏伟副教授的研究团队合作，创新性地结合氢键有机框架（HOFs）与金属有机框架（MOFs），设计并合成了全新的镍-碳基纳米管复合材料。以下为研究的三大亮点：

1. 材料设计：HOF与MOF的巧妙结合

·氢键有机框架（HOFs）：具有高比表面积和可调节性，但结构稳定性较差，难以在高温条件下保持完整。

·金属有机框架（MOFs）：则通过金属-配体配位键提升了结构稳定性。

研究团队通过一步溶剂热反应，成功实现了HOF到MOF的转化，并形成了独特的中空一维纳米管结构。这种“壳核”转化机制，确保了材料的结构完整性与性能稳定性。

2.核心突破：一步法合成一维中空纳米管

相比传统两步法合成工艺，该方法更加高效，工艺简单，同时避免了额外处理对结构完整性的破坏。通过镍离子的竞争配位反应，研究团队实现了从HOF到MOF的转化，并最终形成了镍-碳基中空纳米管。

3. 卓越性能：超强吸收与宽频响应

优化后的Ni-HMCNTs展现了卓越的电磁波吸收性能：

·极低反射损耗（RL_min）：在2.4 mm厚度下，最低RL值达 - 56.9 dB，在3.1 mm厚度下达到 - 63.5 dB。

·宽频吸收：在10.64–17.96 GHz频段内，实现了7.32 GHz的有效吸收带宽（EAB）。

·低填充度：仅需10 wt%的填充量即可实现优异性能，为轻量化应用提供了可能性。

性能提升的科学机制

·磁损耗与介电损耗的协同作用：均匀分布的镍纳米颗粒提供了强磁损耗，而碳基纳米管的高导电性增强了介电损耗。

·阻抗匹配优化：材料的独特结构有效减小了界面反射，使更多的电磁波能量进入材料内部被吸收。

·热稳定性增强：通过调节镍含量和热处理温度，显著提高了材料的高温稳定性和吸波性能。

该研究为高效电磁波吸收材料的开发提供了新的思路。Ni-HMCNTs的设计不仅实现了优异性能，还展现了轻量化和宽频带应用的巨大潜力，为未来的信息技术、国防和航空航天领域提供了创新解决方案。

图1：1D HOF 和 nNi-HMNT 的合成与表征。a) 合成过程示意图，BTC：均苯三甲酸，MA：三聚氰胺；b、c)SEM、TEM 图像；d) FTIR e) PXRD；f-g) XPS 光谱。

图2：从实心 HOF 到空心 Ni-HOF/MOF 结构的转变过程。a) 一步合成示意图 及其过程TEM图像；b) 两步合成示意图 及其过程TEM图像

图3：nNi-HMCNTs 的表征。a、b) 1.2Ni-HMCNTs-800 的 SEM 和 TEM 图像。c) i) 单个 Ni NPs 的 HRTEM 图像；ii) Ni NPs 的尺寸分布。d) 1.2Ni-HMCNTs-800 的 STEM 图像和 EDS 成像。e) PXRD 图案和 f) CNR 和 1.2Ni-HMCNTs-800 的拉曼光谱。g) 磁滞，以及 h)一系列 nNi-HMCNTs-800 的矫顽力 (H_c) 值_。

图4：CNR 和 nNi-HMCNTs-800 基体复合材料的电磁吸收特性。a、b) nNi-HMCNTs-800 在频率为 2–18 GHz 和厚度为 1–5 mm 时的微波 RL 值的 3D 图和 2D 曲线；c–f) 复杂电磁参数：c) 介电常数的实部（ɛ′）和虚部（ɛ′′）；d) 磁导率的实部（μ ′）和虚部（μ ″）；e) 介电损耗（tanδ _Ε   =   ɛ ″/ ɛ ′）；f) 磁损耗（tanδ _M = μ ″/ μ ′）；g) C ₀值，h) 电导率（σ）曲线，i) Cole-Cole 半圆的数量，以及 j) 这些复合材料的衰减常数（α）曲线；k,l) (k) CNR和(l) 1.2Ni-HMCNTs-800的阻抗匹配因子(Z)。