Sustainable Bamboo-Activated Carbon/MXene/Carbonyl Iron Hybrid Fillers in Silicone Rubber: Toward Lightweight and Flexible Microwave Absorbers
本研究表明，一种结合了竹基活性炭、羰基铁和MXene的可持续、柔性硅橡胶复合材料在X波段实现了卓越的微波吸收性能，其中优化配方（M3）在10.8 GHz处实现了−23 dB的反射损耗，且有效吸收带宽为3.15 GHz。
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我们周围的世界充满了看不见的波。从传递文本信息的信号到追踪飞机的雷达波束，这些电磁波对现代生活至关重要。然而，当过多的电磁波在不受控制的情况下四处反弹时，它们会产生干扰，从而破坏敏感的电子设备或暴露隐形飞机的位置。为了解决这个问题，工程师需要能够“吞噬”这些波而不是将其反射回空气中的材料。挑战在于寻找一种既足够轻、可以携带在飞机或无人机上，又足够灵活、可以包裹在曲面周围，且足够有效、能在不变得过厚或过重的情况下吸收广泛频率范围内的材料。
来自印度阿萨姆邦大学的研究团队开发出了一种新型复合材料，通过将四种不同的成分组合成一个单一的柔性薄片，满足了这些苛刻的标准。他们将一种被称为羰基铁的磁性粉末、一种被称为MXene的二维材料以及一种源自竹子的多孔碳混合在一起，并将其嵌入一种柔软的橡胶基质中。目标是创造一种轻量级的吸收体，使其能够在X波段（许多雷达和通信系统使用的特定频率范围）内工作。通过仔细平衡每种成分的比例，科学家们创造出了一种不仅能阻挡信号，还能主动将能量转化为热能的材料，为保护电子设备和增强隐身技术提供了可持续且实用的解决方案。
这段旅程始于对原材料的选择，每种材料都各司其职。研究人员首先使用竹子——一种生长迅速的植物，将其转化为活性炭。这个过程涉及将竹子加热到高温并用化学物质处理，以创造出充满微小孔隙的类海绵结构。这种多孔碳作为介电组分，意味着它能与入射波的电场部分发生相互作用。接下来，他们引入了羰基铁，它由微小的球形铁颗粒组成。这些颗粒具有磁性，能与波的磁场部分发生相互作用。第三种成分是MXene，一种由钛和碳组成的层状材料，具有极佳的导电性。最后，所有这些组分都被嵌入硅橡胶基质中，该基质在保持最终产品柔韧性和耐用性的同时，将所有成分固定在一起。
为了测试这种混合物的效果，团队创建了三个不同的版本（或配方），通过改变竹炭和铁的含量，同时保持MXene和橡胶的含量不变。他们将样品置于受控环境中，并向它们发送横跨X波段（范围从8.2到12.4 GHz）的微波信号。研究人员测量了有多少信号被反射以及有多少被吸收。他们发现，磁性铁与多孔碳之间的平衡至关重要。如果铁太多，材料会变得过于磁化，从而导致波的反射；如果碳太多，材料会变得电导率过高，这同样会导致反射。研究人员发现，“甜点位”（最佳平衡点）存在于含有最高含量的竹炭和略低含量的铁的配方中。
表现最佳的样品包含7.5%的竹炭、17.5%的铁和5%的MXene，它取得了卓越的成果。当微波信号击中这种材料时，它在10.8 GHz的频率下吸收了99.5%的能量。用技术术语来说，这意味着该材料仅反射了极小部分的信号，其损耗值为负23分贝。此外，该样品在宽广的频率范围内表现出色，在3.15 GHz的跨度内实现了连续吸收。这种宽带宽特性至关重要，因为现实世界的信号很少是单一且固定的频率；它们是变化的，而优秀的吸收体需要能够应对这种变化。该材料在仅3毫米的厚度下就实现了这一性能，使其适用于对空间和重量要求极高的应用场景。
这种材料的成功依赖于不同组分如何在橡胶内部协同工作。磁性铁颗粒在这些频率下会产生自然共振，像微型天线一样捕捉波的磁能。竹炭和MXene层则与电能相互作用，在微观层面产生摩擦，从而将波的能量转化为热能。竹炭的多孔结构也有助于通过内部散射波，迫使波在材料内部来回跳跃，直到其能量完全耗尽。硅橡胶确保了这些颗粒分布得当，不会聚集成团，否则会破坏效果。这种组合使得材料能够匹配空气的阻抗，意味着波可以轻松进入材料内部，而不是从表面弹开，随后被困并在内部被吸收。
研究人员还利用各种成像技术确认了他们创造物的物理结构。他们观察到铁颗粒分布均匀，且MXene片层像薄薄的皱褶层一样分布在橡胶中。竹炭则表现为填充在其他材料间隙中的碎片，创造了一个复杂的界面网络。正是这种复杂的内部景观使得材料如此高效。该研究还强调了工作的可持续性方面，因为使用竹子废料来制造碳组分，与使用合成材料或开采重金属相比，降低了环境足迹。
虽然这种材料在实验室中表现出了优异的性能，但研究人员指出，其有效性可以通过改变厚度来进行调节。较厚的材料会在较低频率处吸收信号，而较薄的材料则会针对较高频率。这种可调性意味着可以在不改变成分的情况下，通过改变基本配方来适应不同的特定需求。研究结论认为，这种四部分混合物代表了开发轻量级、柔性雷达吸收材料的一条可行路径。它证明了通过结合磁性组分、导电二维材料、可持续多孔碳以及柔性聚合物，可以创造出一种既强大又实用的屏蔽层，以应对未来复杂的电磁环境。
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