东华大学朱美芳院士团队研究成果：中空炭黑/SiO₂微球的高性能吸波应用
引言
吸波材料最早应用于二战时期的军事隐身领域，随着5G通讯和雷达技术的发展，电磁波辐射成为新的污染形式，影响精密仪器运行和人体健康。因此，开发高效电磁波吸收材料以避免电磁辐射危害成为当前研究热点。吸波材料一般由透波基体材料和吸波剂组成，其中吸波剂的性能起决定性作用。本文基于东华大学朱美芳院士团队研究成果及中央高校基本科研业务费专项、国家重点研发计划项目资助。
01 研究背景 目前，吸波剂主要分为电导损耗型、介电损耗型和磁损耗型三类。电导损耗型吸波剂（如导电炭黑、金属粉末等）通过载流子引起的宏观电流转化电磁波能量为热能；介电损耗型吸波剂（如钛酸钡、氧化锌等）通过位移极化、转向极化等机制吸收电磁波；磁损耗型吸波剂（如铁氧体、磁性金属及其合金）则通过磁畴转向、磁畴壁位移等机制吸收电磁波。然而，这些吸波材料存在阻抗匹配差、密度高、稳定性差等问题，限制了其进一步应用。为提高吸波材料的性能，研究者们采用了结构设计和材料复合两种手段。然而，这些材料需在特定填充量下才能实现最优性能，且原料成本高、制备过程复杂。为进一步满足电磁波吸收材料在电磁防护领域的应用，研究低成本、易施工、性能好的电磁波吸收材料势在必行。本文立足于采用低成本、已实现大规模工业化生产的原料，采用简单的制备工艺实现优异的电磁波吸收性能。 02 创新亮点 本研究立足于采用低成本、已实现大规模工业化生产的原料，通过简单的制备工艺实现优异的电磁波吸收性能。具体创新亮点如下： （1）模板法制备中空结构 以发泡聚苯乙烯（EPS）微球为模板，逐层包覆炭黑吸波剂（CB）和SiO2封装层，经高温熔融处理后获得中空结构CB/SiO2微球（H-CSi）吸波填料。这种结构设计显著提高了电磁波的耗散能力。 （2）多重损耗协同效应 内部导电空腔结构增强了电磁波的多重反射和界面极化，绝缘封装层则有效避免了复合材料内部形成大范围的连续传导电流，实现了优异的阻抗匹配和多重损耗协同效应。 （3）优异的吸波性能 研究结果表明，H-CSi样品在厚度为2.9 mm时，于15.52 GHz频率处实现-59.81 dB的电磁屏蔽效能；当厚度达到3.45 mm时，实现对电磁波有效吸收率大于90%（即RL≤-10 dB），且总有效吸收带宽为9.04 GHz，频率范围覆盖8.88-17.92 GHz。 03 图文展示 图1 中空CB/SiO2微球的制备流程图 Fig.1 Flowchart for the preparation of hollow CB/SiO2 microspheres. 图2 （a）EPS截面；（b）E-CSi表面形貌；（c）E-CSi截面形貌；（d）、（e）H-CSi截面形貌的扫描电子显微镜照片；（f）E-CSi截面EDS分析 Fig.2 (a) SEM image of the cross-section of EPS,(b) SEM image of the surface morphology of E-CSi,(c) SEM image of the cross-section morphology of E-CSi,(d) and (e) SEM images of the cross-section morphology of H-CSi,(f) EDS analysis of the cross-section of E-CSi. 图3 (a)E-CSi样品TGA图谱，CB、E-CB、E-CSi样品的(b)FT-IR图谱 Fig.3 (a) TGA curve of the E-CSi sample, (b) FT-IR spectra of the CB, E-CB, and E-CSi samples 图5 （a）CB样品，（b）E-CB样品，（c）E-CSi样品，（d）H-CSi样品的Cole-Cole损耗半圆 Fig.5 Cole-Cole loss semicircles of (a)CB sample, (b)E-CB sample, (c)E-CSi sample, and (d)H-CSi sample 图7 （a）CB样品，（b）E-CB样品，（c）E-CSi样品，（d）H-CSi样品的电磁波吸收带宽及λ/4模型示意图 Fig.7 Diagrams of the electromagnetic wave absorption bandwidth and λ/4 model of (a) CB sample, (b) E-CB sample, (c) E-CSi sample, and (d) H-CSi sample 04 结论 本文以低成本、易获得的EPS、炭黑吸波剂、纳米SiO2、纯丙乳液为原料，通过简易的“滚汤圆”法制备了类蛋壳结构中空大孔复合电磁波吸收填料。研究结果表明，H-CSi样品在厚度为2.9 mm时对电磁波的最低反射损耗可达-59.81 dB，有效吸收带宽为6.4 GHz；当厚度为3.45 mm时，最宽有效吸收带宽可达9.04 GHz，显著优于单一炭黑吸波剂的电磁波吸收效果。该研究为电磁波防护材料的结构设计与大规模应用提供了新思路，有望推动相关领域的技术发展。 05 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第9期，欢迎引用本文： 李雅茹,张扬, 张思琪,等.中空炭黑/SiO2微球的高性能吸波应用[J].功能材料,2025, 56(9):09009-09016. LI Y R,ZHANG Y,ZHANG S Q,et al.High-performance electromagnetic wave absorbing applications of hollow CB/SiO2 microspheres[J].Journal of Functional Materials, 2025,56(9):09009-09016.
