《Journal of Alloys and Compounds》：Facile Synthesis of CuS/NOCS Flower like Composites with Strong Electromagnetic Wave Absorption Properties
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基于水热法合成的CuS/N,O共掺杂碳球（NOCS）复合材料通过分层花状结构实现优异微波吸收性能，在20wt%填充率下达到反射损耗最小值-42.5dB和有效吸收带宽5.36GHz，同时有效降低雷达散射截面积。
卡迪贾·考萨尔（Khadija Kausar）| 塔乌基尔·海达尔·卡马尔（Tauqeer Haidar Qamar）| 西卜特·乌尔·哈桑（Sibt ul Hassan）| 赛因·布克斯·贾马利（Sain Bux Jamali）| 努曼·艾哈迈德（Nouman Ahmed）| 穆罕默德·阿德南·穆尼尔（Muhammad Adnan Munir）| 贾汉扎德·扎法尔（Jehanzad Zafar）| 梅赫维什·比拉尔（Mehwish Bilal）| 黄胜祥（Shengxiang Huang）| 邓连文（Lianwen Deng）
中国西安交通大学材料科学与工程学院材料力学行为国家重点实验室，西安 710049
摘要
随着无线通信技术的快速发展，对轻质且宽带电磁波吸收材料的需求日益迫切。本文采用水热法制备了一种具有层次化花状结构的CuS/N、O共掺杂碳球（NOCS）复合材料。介孔NOCS与相互连接的CuS纳米片之间的合理结合产生了丰富的异质界面和有利的导电率梯度，从而增强了界面极化、偶极松弛和阻抗匹配性能。结果表明，这种CuS/NOCS复合材料表现出优异的微波吸收性能，在填料含量仅为20 wt%的情况下，实现了最低反射损耗（RL_min）为-42.5 dB和有效吸收带宽（EAB）为5.36 GHz。值得注意的是，该复合材料在宽角度范围内雷达截面降低效果显著，数值始终低于25.07 dBm2。这项工作展示了一种通过微结构工程设计的介电复合材料，适用于轻量化及隐身相关应用中的高效率电磁波吸收。
引言
第五代通信技术的进步和广泛应用的先进电子设备极大地提升了人类便利性，但同时也不可避免地导致了有害的电磁干扰（EMI）和辐射污染。这种干扰可能使敏感电子设备失效，并显著增加癌症、白血病等多种神经系统疾病等健康问题的风险。外部电磁波（EMW）的干扰会扰乱人体内的微电场平衡，引发系统紊乱和病变[1][2][3]。严重的电磁污染已成为一个重大挑战[4]。为了克服这些风险，需要开发薄型、轻质、宽频谱且高效阻挡不需要的EMW的EMI屏蔽材料[5][6][7]。然而，传统的EMW吸收材料（如金属氧化物、碳纤维、铁氧体、导电聚合物、羰基铁和Ni-Co-Zn铁氧体）存在一些局限性，包括吸收效率低以及需要较高的填料含量[8][9][10]。因此，通过调节介电损耗和改善阻抗匹配来设计新型高性能微波吸收材料显得十分必要。
基于碳的材料，如多孔碳（PC）、碳纳米管（CNTs）、石墨烯和石墨碳，因其独特的性质（轻质、高表面积、出色的物理和化学稳定性以及优异的介电损耗特性[11][12][13]，成为微波吸收（MA）领域的理想候选材料。在各种碳基材料中，PC在能量存储、气体分离和吸附应用中展现出了潜力[14]。例如，范等人合成了中空碳球，凭借其三维多孔结构、界面极化和偶极极化损耗的协同作用，实现了仅3 mm厚的吸收体最小反射损耗（RL_min）为-23.35 dB[16]。同样，陶等人合成了多层中空多孔碳，丰富的缺陷和三维导电路径增强了界面/偶极极化和导电损耗，使得RL_min达到-18.13 dB，EAB为5.17 GHz[17]。多孔碳复合材料的发展引起了广泛关注，为解决信号处理中常见的电磁参数不匹配、重量大和分散性差等问题提供了可行的解决方案[18][19]。最近的研究表明，将PC与空气（填料）和固体介质（基体）结合成复合材料，有助于增加多次反射、界面极化和阻抗匹配的调节[18][19]。此外，由于空气相、高孔隙率和三维网络的存在，这种多孔材料还具有优异的隔热性能[20][21]。
在微波吸收材料中，硫化铜（CuS）是一种重要的半导体过渡金属硫属化合物。CuS具有适中的固有电导率、丰富的缺陷化学性质以及由Cu2?/Cu?氧化还原状态引起的强极化能力，这些因素共同促进了导电损耗和偶极极化，同时避免了严重的阻抗不匹配[22][23]。与高导电性的金属填料相比，CuS在提供足够的介电损耗的同时不会导致过高的导电性，从而避免了严重的阻抗不匹配。此外，CuS中的大量硫空位和晶格缺陷进一步促进了极化松弛，使其成为提升微波吸收性能的理想介电损耗材料。例如，赵等人通过置换反应成功制备了中空三维CuS结构，填料含量为50 wt%时，实现了最小反射损耗（RL_min）为-17.5 dB和有效吸收带宽（EAB）为3 GHz[24]；另一研究通过溶剂热法制备的中空CuS微球，在30 wt%的填料含量下，RL_min达到-31.5 dB，EAB为3.6 GHz[25]。尽管基于CuS的微波吸收材料通常具有中等衰减能力和相对较窄的吸收带宽，但通过将其与碳基材料结合可以有效利用其优势。这种杂交设计可以减轻CuS的高密度问题，同时制备出具有增强介电损耗和改善阻抗匹配的轻质复合材料。此外，合理的微结构设计（如花状结构）可以引入额外的结构损耗机制（如多次散射和界面极化），进一步提升整体微波吸收性能。然而，目前尚未系统探索CuS与轻质PC材料结合的协同微波吸收行为。因此，开发CuS/PC异质结构对于同时调节衰减能力和阻抗匹配以及深入理解微波吸收机制具有重要意义。
在本研究中，采用水热法制备了CuS/NOCS复合材料，该方法操作简便且制备成本低。NOCS在CuS纳米片表面均匀分散，显著增强了电磁波的散射和吸收能力。N和O原子掺入碳框架中，比单一元素掺杂更能显著改变电子不对称性和结构畸变，从而提高偶极极化中心的浓度，这对提高GHz范围内的介电损耗至关重要。NOCS的有序介孔结构提供了精确调节的空气填料相，有效平衡了碳基体和CuS的高导电性，实现了近乎完美的阻抗匹配，使大部分入射电磁波能够进入材料内部。最终，球形NOCS和花状CuS纳米片的层次化组装形成了丰富的异质界面和内部反射腔体，这种结构不仅增强了界面极化（麦克斯韦-瓦格纳效应），还促进了多次散射，共同实现了较高的最小反射损耗（RL_min）和有效吸收带宽（EAB）。通过改变CuS含量研究了复合材料的微波吸收性能，发现调整CuS浓度显著影响了阻抗匹配和电磁参数。当填料含量为20 wt%时，CuS/NOCS复合材料的最低反射损耗（RL_min）为-42.5 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.36 GHz。这种可调节的微波吸收性能使其成为微波吸收应用的理想候选材料。
试剂
二水合氯化铜（CuCl?·2H?O）购自上海麦克林生物科技有限公司，硫脲（CH?N?S）购自广东光华科技有限公司，聚乙二醇（PEG600）购自国药化学试剂有限公司。所有这些化合物均为分析级，无需额外蒸馏处理。
CuS/NOCS的合成
首先，按照我们之前的研究方法[26]制备了NOCS。随后，利用...
微观结构和形态表征
通过SEM和TEM分析了CuS/NOCS复合材料的结构形态。SEM图像（图S1）显示NOCS材料保持了球形结构，并均匀分布在CuS纳米复合材料上（见图2(a-c)和图S2）。CuS形成了由多个交织纳米片组成的微花结构，这种形状增强了电磁波的散射和吸收能力。
结论
总之，通过水热法成功制备了CuS/NOCS复合材料，并对其性能进行了研究，以解释其卓越的微波吸收能力。CuS纳米片与均匀分布的介孔碳球体的结合形成了导电路径和异质界面，这些界面增强了CuS和NOCS相之间的界面极化和极化过程。
CRediT作者贡献声明
邓连文（Lianwen Deng）：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金争取。卡马尔·塔乌基尔·海达尔（Qamar Tauqeer Haider）：撰写、审稿与编辑。卡迪贾·考萨尔（Kousar Khadija）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、实验研究。梅赫维什·比拉尔（Mehwish Bilal）：撰写、审稿与编辑。贾汉扎德·扎法尔（Jehanzad Zafar）：撰写、审稿与编辑。黄胜祥（Shengxiang Huang）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、项目监督。赛因·布克斯·贾马利（Sain Bux Jamali）：撰写、审稿与编辑。西卜特·乌尔·哈桑（Sibt ul Hassan）：撰写、审稿
利益冲突声明
作者声明他们与本研究中所述研究不存在任何可能影响研究的个人关系或财务利益。
致谢
本研究得到了湖南省自然科学基金（项目编号2023JJ50079）、国家自然科学基金（项目编号62201619）和中南大学基本科研业务费（项目编号2020zzts050）的财政支持。
