【MOF电磁波吸收】2D耦合MOF/Fe复合超材料实现了强大的超宽带微波吸收

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摘要：
西北工业大学邢瑞哲&孔杰老师等报道的本篇文章（Nat Commun 2024, 15, 5642）中提出了一种新型的超宽带微波吸收材料设计，该设计基于半导电金属-有机框架/铁(CuHT-FCIP)的二维/二维组装，具有丰富的晶体/晶体异质结和强磁电耦合网络。这种设计在仅9.3毫米的厚度下，实现了从2到40 GHz的显著电磁波吸收效果。值得注意的是，该吸收器在倾斜入射(75°以内)和极化(横向电和横向磁)条件下保持了稳定的性能。此外，吸收器展示了高比压缩强度(201.01 MPa·cm³·g⁻¹)和低密度(0.89 g·cm⁻³)。这一进展为开发具有优越性能的鲁棒电磁波吸收器提供了希望。

研究背景：
1. 随着第五代(5G)技术的广泛采用，空间中的电磁波(EMW)功率显著增加，这增加了在监测活动与隐私问题之间取得平衡的需求，并解决了长期暴露引起的健康问题。
2. 传统的电磁波吸收材料通过调整色散特性在共振厚度下实现吸收，但有效吸收带宽(EAB)受限于因果律的限制。
3. 作者提出了一种基于二维/二维耦合的MOF/Fe复合材料的超材料设计，通过引入丰富的晶体/晶体异质结和强磁电耦合网络，显著提高了电磁波吸收能力，并扩展了有效吸收带宽。

实验部分：
1. CuHT的合成
   - 将4-巯基苯酚和氧化亚铜在乙醇中超声溶解，混合后在氩气氛围下80°C反应48小时，反应后过滤并多次用乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水和丙酮洗涤，得到灰黄色的CuHT。
2. FCIPs的制备
   - 将碳基铁粉筛选至所需粒径范围，加入不锈钢磨球和乙醇进行球磨，球磨后用丙酮洗涤并在真空烘箱中干燥，最后在氢气氛围下进行退火处理，得到FCIPs。
3. CuHT-FCIP-EP复合物的制备
   - 将CuHT和FCIP以不同质量分数混合在乙醇溶液中，超声处理后离心并真空干燥，然后与环氧树脂按比例混合并脱气，倒入模具中固化，得到CuHT-FCIP-EP复合物。
4. CuHT-FCIP-EP超材料的制备
   - 使用特定形状的硅橡胶模具，通过多步骤浇注和固化过程制备CuHT-FCIP-EP超材料，每层使用不同配比的树脂，最终通过完整的脱模过程得到三层结构的超材料。

分析测试：
1. 材料表征
   - 使用SEM和AFM观察了CuHT-FCIP复合物的层状微观结构，EDS映射结果显示了复合物中各元素的均匀分布。
2. 电磁性能测试
   - 使用矢量网络分析仪测量了复合超材料的复杂介电常数和磁导率，计算了反射损耗(RL)值。
3. 比表面积和孔隙性分析
   - 通过氮气吸附-脱附等温线测量了CuHT的比表面积和孔隙性，但具体数值未在摘要中提供。
4. 电导率测试
   - CuHT的带隙为2.87 eV，体电导率为4.23 × 10⁻³ S·cm⁻¹。
5. 密度泛函理论(DFT)计算
   - 进行了DFT计算以分析CuHT和FCIP之间晶体/晶体异质界面的电荷转移机制，但具体计算数据未在摘要中提供。
6. 反射损耗测试
   - CuHT-FCIP-EP复合超材料在2-40 GHz频率范围内的反射损耗测试显示，该材料具有超宽带的电磁波吸收能力，但具体的RL值和频率点未在摘要中详述。
7. 雷达截面(RCS)模拟
   - 对200 mm × 200 mm × 2.25 mm平板进行了RCS模拟，但未提供具体的模拟结果数据。
8. 样品的厚度和密度性能测试
   - CuHT-FCIP-EP超材料的厚度为9.3 mm，密度为0.89 g·cm⁻³，具有高比压缩强度201.01 MPa·cm³·g⁻¹。

总结：
本文提出的CuHT-FCIP-EP复合超材料通过2D/2D磁电耦合效应，实现了2-40 GHz超宽带电磁波吸收。该材料不仅具有优异的吸收性能，而且在倾斜入射和不同极化条件下表现出良好的鲁棒性。此外，该材料具有高比压缩强度和低密度，以及简单的制造工艺和卓越的机械性能，使其适合大规模生产和开发功能性超宽带电磁波吸收器。

展望：
1. 进一步优化材料结构：探索不同比例的CuHT/FCIP对电磁波吸收性能的影响，以实现更宽的有效吸收带宽。
2. 扩展应用范围：研究该材料在其他频率范围内的电磁波吸收性能，以及在实际复杂电磁环境中的应用潜力。
3. 深入机理研究：通过理论计算和模拟，深入理解材料的磁电耦合机制和电磁波吸收机理。
4. 探索大规模生产方法：考虑材料的可制造性和成本效益，开发适合大规模生产的工艺。

2D/2D coupled MOF/Fe composite metamaterials enable robust ultra–broadband microwave absorption
文章作者：Ning Qu, Hanxu Sun, Yuyao Sun, Mukun He, Ruizhe Xing, Junwei Gu & Jie Kong
DOI：10.1038/s41467-024-49762-4
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49762-4

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