【人物与科研】西北工业大学吴宏景老师课题组Advanced Functional Materials：轻质镍泡沫基宽频吸波材料
导语
金属基材料在吸波领域的应用受限于其自身的两个缺陷，一是过高的电导率引起的电磁波在其表面强烈的反射，二是自身的高密度难以满足目前轻质吸波材料的需求。尽管通过纳米尺寸的金属材料设计或将金属氧化物、碳材料与金属材料进行复合可以在一定程度上解决上述问题，但是由此而引起的问题诸如纳米金属粒子团聚、被氧化而引起的吸波性能衰退以及金属复合材料复杂的制备过程同样制约着高效、轻质金属基吸波材料的进一步发展。基于上述问题，西北工业大学吴宏景副教授创新性的提出了一种轻质泡沫镍基材料的制备方法，首次获得了轻质、高效的金属基吸波材料。相关成果在线发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202103436）。
吴宏景副教授课题组简介
课题组成立以来一直从事电磁波吸收材料的研究，致力于高效的新型铁氧体材料、硫化物基吸波材料的制备，目前已经在微观电磁损耗物理机制方向的研究取得了一定的进展。课题组已经在国际知名学术期刊发表论文100余篇，包括Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal等国际知名期刊。课题组目前有博士后1名、博士6名、硕士4名。
吴宏景副教授简介
吴宏景，西北工业大学物理科学与技术学院副教授，博士生导师。2007年本科、2010年硕士毕业于中国地质大学（武汉），2010年至2014年在西北工业大学攻读博士学位，2012-2013年在意大利科学院纳米结构材料研究所进行访学；在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology、Carbon等国际知名学术期刊发表研究论文100多篇，所发论文被引用超过5700多次，H-index为45（至2021年5月）。目前担任《稀有金属》（中、英文版）青年编委，SCI源期刊Journal of Materials Science：Materials in Electronics编辑。
前沿科研成果
轻质镍泡沫基宽频吸波材料
金属材料由于具有良好的导热导电性、生物兼容性及催化活性被广泛应用于能源、环境、生物医学和催化领域的研究。其中，磁性金属材料由于同时具有磁性和导电性，因而可以通过电损耗和磁损耗机理消耗电磁能量，是一种潜在的电磁波吸收剂。然而，磁性金属基材料在吸波领域的应用受限于其自身的两个缺陷，一是过高的电导率引起的电磁波在其表面强烈的反射，二是自身的高密度难以满足目前轻质吸波材料的需求。尽管通过纳米尺寸的金属材料设计或将金属氧化物、碳材料与金属材料进行复合可以在一定程度上解决上述问题，但是由此而引起的问题诸如纳米金属粒子团聚、被氧化而引起的吸波性能衰退以及金属复合材料复杂的制备过程同样制约着高效、轻质金属基吸波材料的进一步发展。基于上述问题，吴宏景副教授利用一种“发面法”及后续的退火过程制备出了轻质的泡沫镍材料，并创新性地将金属氧化物原位生长在泡沫镍上（图1），最终得到了轻质、高效的金属基吸波材料。
图1. 轻质泡沫镍材料合成示意图及实物图
（来源：Advanced Functional Materials）
作者首先以硝酸镍和F127为反应物，通过“发面法”制备出了轻质的泡沫镍材料，并通过SEM表征和XRD表征确定了其多孔的泡沫结构以及纯相的镍组分（图2）。
考虑到在泡沫镍上负载氧化物可以提供界面极化及氧化物中缺陷诱导的偶极极化，因而增强电磁波损耗能力，作者尝试将氧化物以原位生长的方式引入到泡沫镍中。为了使金属氧化物原位生长在泡沫镍的表面，四种金属硝酸盐即硝酸铁、硝酸钴、硝酸铜、硝酸锌在制备过程中分别加入到反应体系中，获得的产物拥有不同的组成但基本保持了原有的轻质泡沫状结构。通过SEM以及对应的EDS证明所添加的四种元素在终产物中均匀地分布，且纯相泡沫镍以及钴、铜添加的产物其泡沫骨架表面较为光滑，而铁、锌添加的产物表面则变得更加粗糙。
进一步，通过XRD表征证明钴、铜添加的产物仍表现出单质镍的衍射峰，但其（111）晶面向低角度方向偏移，这可能由于钴、铜元素进入到镍的晶格内部且它们更大的原子半径使得产物的晶面间距增大所导致。
根据上述结果，钴、铜的添加仅获得钴、铜掺杂的泡沫镍材料。与之相对的，铁、锌添加的产物出现了新的衍射峰，即铁添加的产物出现了氧化镍/铁酸镍的衍射峰，锌添加的产物获得了氧化锌的衍射峰，但峰强度相对较低，产物仍以镍为主相。他们的泡沫骨架变得粗糙可能是由氧化物在其表面的生长导致的。上述结果表明这种泡沫镍上原位生长氧化物是可行的且具有一定的普适性。
图2. 材料的SEM及XRD表征
（来源：Advanced Functional Materials）
紧接着，作者研究了系列产物的电磁波吸收性能。首先是纯相的金属泡沫镍的吸波性能，相较于金属板强烈地趋肤效应，由于在金属泡沫中存在的多孔结构可以作为电磁波在其内部的传输路径，因而纯相的泡沫镍表现出一定的吸波能力。但值得注意的是，所获得的吸波能力仍无法满足厚度薄、吸收频带宽的要求。相较之下，添加了其他金属硝酸盐产物的吸波性能有了明显的提升。其中，镍/氧化镍/铁酸镍复合材料在系列材料中表现出最佳的性能。出乎意料的，镍/氧化镍/铁酸镍复合材料在其填料比为20 wt%时表现出优异的电磁波吸收性能。具体的，在匹配厚度为0.6 mm时有效吸收频带（RL＜-10 dB）达到14.24 GHz（图3），优于绝大多数已报道的优秀吸波材料。而将填料比降为10 wt%时，仍能在匹配厚度为2.5 mm时达到8.88 GHz的吸收带宽。
图3. 材料的吸波性能图
（来源：Advanced Functional Materials）
最后，作者通过深入地研究阐明了该材料的优异电磁损耗来源。通过对材料磁性的变化（随着其他金属盐的添加磁性减弱）、电导率的变化（随着其他金属盐的添加电导率减小）以及制备过程中官能团的去除从而确定了磁损耗、电导损耗以及偶极子极化损耗这些损耗机理并非镍/氧化镍/铁酸镍复合材料优异的电磁损耗能力的主要来源。进一步地，通过PL光谱表征结果说明金属氧化物的引入增加了材料的缺陷（氧空位）的浓度，从而提升了缺陷诱导的极化损耗。由于镍/氧化锌的缺陷浓度高于镍/氧化镍/铁酸镍但其吸波性能却更差，表明缺陷诱导的极化损耗也并非镍/氧化镍/铁酸镍复合材料优异的电磁损耗能力的主要来源。因此，该电磁损耗主要来源于界面极化损耗。这也可以从系列材料的高分辨Ni 2p XPS谱图被证明（图4），可以发现Ni0的电子结合能逐渐变大，这是由于金属镍与其它组分之间发生了电子转移，即电子从金属镍转移到其它组分，且转移量可能与结合能变化大小有关，其中镍/氧化镍/铁酸镍复合材料中镍的结合能变化最大，这是由于存在多重界面镍/氧化镍、镍/铁酸镍、铁酸镍/氧化镍引起的。结合特殊的泡沫结构，电磁波在复合材料内部多次反射时同样会经历多次的界面极化损耗作用，形貌与物相之间的协同作用共同导致了材料优异的电磁损耗能力。
图4. 吸波机理示意图
（来源：Advanced Functional Materials）
这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202103436），该论文作者为：Ming Qin, Limin Zhang, Xiaoru Zhao, Hongjing Wu。上述研究工作得到了该项工作得到了国家自然科学基金、陕西省基础研究计划和中央高校科研业务费的支持。