《Surfaces and Interfaces》：Deep Insight into Microwave Absorption: Fundamental Loss Mechanisms and Their Physical Interpretation
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本文系统综述电磁波吸收材料的介电损耗（界面极化、缺陷极化、偶极松弛）、磁损耗（滞回损耗、磁畴壁共振、自然共振及交换共振）及形态协同效应，提出超结构设计与3D打印优化策略，为开发高效宽带稳定吸波材料提供理论框架。
萨希尔·夏尔马（Sahil Sharma）| 苏曼·甘迪（Suman Gandi）| 萨迪·雷迪·帕尔内（Saidi Reddy Parne）
印度果阿邦果阿国立技术学院应用科学系，邮编403703。
摘要
随着电磁（EM）波污染的加剧，开发先进的电磁波吸收材料变得愈发必要，因此理解其损耗机制至关重要。外部辐射与吸收材料之间的相互作用需要详细研究介电损耗和磁损耗及其背后的机制。探究这些衰减机制对于新型吸收器的开发至关重要。尽管大多数研究集中在吸收材料的合成上，但很少有研究解释具体的损耗机制。本综述全面探讨了介电损耗（包括界面极化、偶极极化和缺陷诱导极化），以及磁损耗（如磁滞损耗和多种共振现象，如畴壁共振、交换共振和自然共振）。此外，还评估了形态学损耗和统一的协同损耗机制，从而提供了对该主题的全面理解。研究涵盖了先进的设计策略，包括超结构和3D打印形态，以优化材料与入射电磁波的相互作用。通过整合各种损耗机制的见解，本综述为设计具有更高效率、带宽和稳定性的下一代电磁波吸收器提供了全面的框架。该研究解决了电磁波吸收中的关键问题，为研究人员和工程师在开发多功能应用材料方面提供了宝贵的指导。
引言
近几十年来，电磁（EM）波技术的快速发展开启了众多应用领域，显著改变了许多行业。经济实惠的5G和6G技术的出现彻底改变了我们的通信系统，实现了更快的数据传输和更强的连接性。然而，电磁波技术的益处不仅限于通信领域，还推动了生物医学领域（通过改进的诊断和治疗工具）、汽车工业（通过智能和自动驾驶车辆的创新）、天文学（通过更好的观测仪器）以及军事领域（通过复杂的通信和防御系统）。尽管取得了这些进展，但一个关键问题也随之出现：电磁波污染的加剧[[1], [2], [3]]。电磁波排放量的增加导致了严重的信号干扰，尤其是在航空和通信领域。在航空领域，干扰可能危及导航和通信系统，引发严重的安全问题。同样，在通信领域，信号干扰会导致服务质量下降和可靠性降低，这突显了采取措施解决和缓解这一日益严重问题的必要性[4]。此外，由于各种信号源和接收器的使用，环境中也观察到了许多生态变化[5]。这种广泛的部署还与人体内的生物变化有关，这些变化归因于过度暴露于电磁波[6]。因此，开发电磁波吸收材料的需求日益增长，使其成为研究的一个重点领域[7]。这些材料广泛应用于民用领域，如热管理和节能建筑的智能窗户[8]，以减轻不必要的电磁波辐射，并被用作军用战斗机的涂层以实现隐身效果[9,10]。有效的电磁波吸收材料应具备高能量耗散能力、轻质特性、良好的匹配阻抗、多频段带宽和成本效益。提高这些材料的能量耗散能力需要增加介电损耗和磁损耗，这对于有效吸收电磁波至关重要。在当今这个检测和精确制导技术快速发展的时代，中和武器带来的威胁以及军事资产的脆弱性变得越来越严重。因此，开发先进的多频段兼容隐身材料引起了极大的兴趣。雷达隐身旨在最小化目标的雷达截面（RCS），红外（IR）隐身旨在使目标的热信号与其背景一致以避免被探测到，而可见光谱隐身则致力于实现光学透明，类似于“隐身斗篷”。许多研究小组正在积极研究多功能隐身材料，其中光斌·吉（Guangbin Ji）及其团队最近发表的工作代表了多频段隐身技术的显著进展[[11], [12], [13], [14]]。研究人员开发了多种复合材料，由于其改进的损耗机制，这些材料表现出比纯材料更强的衰减能力。基于碳的复合材料因其优异的介电损耗而一直是研究的主要焦点，因为它们具有低重量、成本效益和高匹配阻抗能力等优势。相比之下，基于磁性的材料虽然表现出磁损耗，但仍是进一步探索的领域。由于磁性复合材料的高密度，与介电损耗相比，人们对磁损耗的关注较少。值得注意的是，同时具有介电损耗和磁损耗的复合材料表现出卓越的入射波衰减特性[15]。影响这些材料衰减能力的一个关键因素是匹配阻抗。这一概念指的是当电磁波从空气进入材料时，如果两种介质的阻抗值接近，则更多的波能量能够穿透材料。实现这种匹配阻抗至关重要；然而，达到完美的阻抗匹配极具挑战性。因此，部分入射电磁波能量通常会反射回大气中，降低了材料的衰减能力。这种反射损耗凸显了开发理想电磁波吸收器的难度，使其成为研究人员持续面临的复杂挑战。
许多研究报告概述了通过不同介电损耗实现电磁波衰减的各种合成方法[[16], [17], [18]]。然而，对这些材料内部损耗机制的阐述相对较少[19]。在含有多种成分的复合材料的背景下，界面极化被认为是电磁波耗散的主要机制[[20], [21], [22], [23]]。多种成分的存在导致导电性和缺陷位点的变化，从而产生增强电磁波衰减的协同损耗机制。已发表了多篇综述报告，详细介绍了电磁波吸收材料的进展，包括其合成技术、吸收特性和形态变化[[24], [25], [26], [27], [28]]。报道了多种电磁波吸收材料，如碳基材料[[29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]]、铁氧体[[37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44]]、2D材料和MXenes[[45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]]、金属合金和氧化物[[53], [54], [55], [56], [57]]、高熵材料[[58], [59], [60], [61], [62], [63]]以及受生物启发的材料[[64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73]]。尽管有这些宝贵的贡献，但专门针对这些材料中各种损耗机制的综述仍然很少。一些有洞察力的综述探讨了介电损耗机制，解释了电磁波吸收器内部负责衰减的过程[24,[74], [75], [76]]。相比之下，关注磁损耗或形态损耗机制的报告较少。其中一个可能的原因是磁性材料的温度依赖性。当电磁波吸收器（本质上是磁性的）的温度超过其居里点时，材料会从铁磁状态转变为顺磁状态，从而降低其电磁波吸收能力。这种现象在介电材料中通常不会发生[24]。有效电磁波吸收材料的一个重要要求是在高温下的热稳定性，这突显了研究磁损耗的重要性和兴趣[77]。已经观察到，通过掺杂、封装或涂层和纳米结构化等手段可以提高磁性材料的热稳定性。这些策略有助于在高温下保持材料的结构完整性和电磁波吸收能力，使得磁损耗的研究变得既重要又有趣。
本综述全面分析了与电磁（EM）波吸收材料相关的损耗机制。如图1所示，各种损耗机制被系统地分类和讨论。介电损耗分为三种主要类型：界面极化、缺陷诱导极化和偶极松弛。其他极化机制（如原子极化、电子极化和离子极化）在本研究中未考虑，因为它们发生在103–10? GHz的频率范围内，而本综述的重点是微波频谱（2–18 GHz）。还研究了磁损耗，重点关注磁滞损耗和几种类型的磁共振，包括畴壁共振、自然共振和交换共振。该综述研究了表现出这些机制的原始材料和复合材料。此外，还探讨了其他损耗现象，如形态学损耗和统一的协同损耗[78]，以提供对电磁波吸收器中衰减过程的全面理解。这些机制共同提高了材料的吸收效率和功能性能。总体而言，这项分析旨在支持高性能电磁波吸收材料的明智设计和优化。
介电损耗机制
介电损耗机制对于微波吸收材料的性能至关重要，因为它们有助于将电磁波能量有效地转化为热能，从而衰减微波信号[[79], [80], [81], [82]]。具有高介电损耗的材料可以有效地吸收微波，使其在电磁干扰（EMI）屏蔽、隐身技术和电信等领域中不可或缺。通过调节介电...
磁损耗机制
磁损耗机制对于提高微波吸收材料的性能至关重要，特别是在需要在大范围内高效衰减电磁波的应用中。这些机制涉及微波辐射与材料内部磁畴的相互作用，导致能量通过磁滞损耗、涡流损耗和自然共振或铁磁共振等过程耗散。磁滞损耗是由于...
磁损耗增强策略
通常观察到，传统的微波吸收材料具有较高的介电常数，而磁导率值通常较低。因此，增强材料吸收性能的策略是匹配阻抗，即μr = εr，这将使更多外部辐射与吸收材料相互作用。可以通过修改内在参数或超过Snoek极限来提高磁导率[154]
结构增强策略
除了介电损耗和磁损耗之外，其他机制也在影响微波吸收材料的吸收性能方面起着关键作用。其中一个重要因素是材料的形态[240]，包括形状、尺寸和颗粒分布等方面。这些形态特征会影响材料与外部场的相互作用以及吸收微波能量的效率。另一个重要方面是统一的协同损耗...
结论与未来展望
本综述总结了电磁波吸收（EWA）材料背后的多种损耗机制——介电损耗（界面极化、偶极极化和缺陷诱导极化）、导电/涡流损耗、磁损耗（磁滞损耗、畴壁共振、自然共振和交换共振）、形态散射以及统一的协同损耗——并强调了从异质界面工程到超结构和3D打印等设计策略，这些策略利用了这些机制来...
作者贡献
本手稿由所有作者共同撰写。所有作者均已批准手稿的最终版本。
CRediT作者贡献声明
萨希尔·夏尔马（Sahil Sharma）：概念化、数据整理、形式分析、研究方法、撰写——初稿。
苏曼·甘迪（Suman Gandi）：验证、可视化、撰写——审阅与编辑。
萨迪·雷迪·帕尔内（Saidi Reddy Parne）：监督、资金获取、可视化、撰写——审阅与编辑。
CRediT作者贡献声明
萨希尔·夏尔马（Sahil Sharma）：撰写——初稿、研究方法、形式分析、数据整理、概念化。
苏曼·甘迪（Suman Gandi）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。
萨迪·雷迪·帕尔内（Saidi Reddy Parne）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：萨迪·雷迪·帕尔内（Saidi Reddy Parne）报告称获得了科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度政府科学技术部（Department of Science and Technology, DST）通过“科学创新促进激励研究（INSPIRE）”计划（Grant IF210684）为萨希尔·夏尔马（Sahil Sharma）在本内容中提到的工作提供财务支持。作者还要感谢印度科学技术部（Department of Science and Technology）的“科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board, SERB）”为这项研究工作提供的协助。
