复合纤维(复合纤维片的作用与功效)

成果简介

拓宽吸收带宽对拓展电磁波吸收材料的应用场景具有重要意义。由于高形状各向异性所引起的电磁特性变化，一维纤维材料受到了广泛关注。本文，山东大学刘久荣等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Facile synthesis of MnS nanoparticle embedded porous carbon nanocomposite fibers for broadband electromagnetic wave absorption”的论文，采用静电纺丝和高温加工相结合的方法制备了MnS/碳纳米复合纤维，显著简化合成过程，并深入研究了材料中各组分的吸收性能和作用。此外，还深入揭示了该材料对电磁波的宽频吸收机制。

得益于组分和微观结构的协同作用，MnS/碳纳米复合纤维在厚度为3.6 mm时取得了−68.9 dB的电磁波吸收强度，并在厚度为3.3 mm时获得了7.2 GHz的有效吸收带宽。通过深入研究验证，证明了相比于MnO，MnS可以实现导电衰减能力与极化衰减能力的优越协同，增强衰减能力，优化阻抗匹配特性。这项工作进一步填补了MnS在电磁波吸收领域的研究空白，证实了MnS及其复合纤维在实际应用中的巨大潜力。

图文导读

图1 MnO/C和MnS/C纳米复合纤维的（a）制备示意图；（b）XRD谱图；（c）Raman谱图。

图2. MnO/C和MnS/C纳米复合纤维的XPS谱图：（a）C 1s谱图、（b）O 1s谱图、（c）Mn 2p谱图、（d）S 2p谱图；MnO/C和MnS/C纳米复合纤维的（e）TGA曲线和（f）孔径分布。

图3. （a，b）不同MnO含量的MnO/C复合纤维的SEM图；（c，d）不同MnS含量的MnS/C复合纤维的SEM图；（e-g）MnS/C复合纤维的TEM图和SAED衍射花样。

图4. 不同频率和厚度下的反射损耗（三维图）：（a）MnO/C-1、（b）MnO/C-2、（c）MnS/C-1、（d）MnS/C-2；不同频率和厚度下的反射损耗（平面投影图）：（e）MnO/C-1、（f）MnO/C-2、（g）MnS/C-1、（h）MnS/C-2；（i）不同厚度下的有效吸收带宽比较；（g）MnS/C复合纤维的有效吸收带宽与其他硫化物吸波材料比较；不同复合纤维的RCS模拟（k）垂直极化、（m）水平极化。

图5. 不同复合纤维的电磁参数：（a）MnO/C-1、（b）MnO/C-2、（c）MnS/C-1、（d）MnS/C-2；（e）不同复合纤维的Cole-Cole图；（f）HFSS模拟MnS/C复合纤维的电场分布；电磁波损耗示意图：（g）偶极子极化、（h）导电网络、（i）电导损耗。

图6. 不同复合纤维的：（a）介点损耗正切、（b）衰减系数、（c）匹配系数；（d）金属背板模型中的电磁波干涉相消示意图；Z'和Z''值在不同厚度和频率下的值：（e）MnO/C-1、（f）MnO/C-2、（g）MnS/C-1、（h）MnS/C-2、（i）颜色分布图例。

小结

研究采用静电纺丝与后续碳化处理相结合的方法灵活制备了MnS/C纳米复合纤维。纤维碳表面包覆致密的MnS纳米颗粒。高MnS比例的纳米复合纤维具有较强的电磁波吸收强度(-68.9 dB, 11.1 GHz, 3.6 mm)和7.2 GHz (9.5 ~ 16.7 GHz, 3.3 mm)的有效吸收带宽。深入研究表明，碳与MnS之间的协同效应优于MnO，因此具有优越的电磁波吸收优势。MnS的组合抑制了介电常数，有利于阻抗匹配条件的优化，并通过必要的导电损耗和增强的极化损耗等多种机制防止衰减急剧下降。而这一点导致了对干涉相消效应的依赖性降低，从而产生了宽频带电磁波吸收。这项工作证明了MnS和MnS/C纳米复合纤维在电磁波吸收方面的巨大潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.02.024