自然界許多物質具有目前人工系統無法比擬的電磁波響應能力。澳洲寶石（Opal）是一種由二氧化硅納米微球沉積而成的蛋白石，其色彩繽紛的外觀與色素無關，而是因其幾何結構上的周期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色隨之變化。有課題組通過模板法制備出了具有蛋白石結構（Opal based structure）和反蛋白石結構（Inverse-Opal-based structure）的三維有序多孔碳材料封裝Co/Co3O4吸波復合材料（Co@Co3O4/NMCS和Co@Co3O4/NMmC），探索了這兩種具有多級孔結構的碳基吸波復合材料在微波頻段對電磁波的響應規律，研究了不同組分構成的吸波復合材料在1-18 GHz頻段電磁吸波效果，并對材料應用于復雜結構上的雷達散射截面縮減效果進行了仿真研究。

以下是相關的圖文解析：

圖1 三維有序多孔Co@Co3O4/NMCS設計與制備示意圖

測試結果表明，這種三維有序多孔碳基吸波復合材料在1-18GHz頻段范圍內表現出了**的電磁波吸收性能，在5.7 GHz下電磁反射損耗達到了-53.8 dB。

圖2 不同Co@Co3O4含量的Co@Co3O4/NMCS電磁反射損耗云圖和性能曲線

這種基于Opal微觀結構所設計制備的三維有序多孔碳基吸波復合材料表現出良好的吸波性能，研究人員認為主要的電磁波響應和損耗機理可以歸因于如下幾點：（1）和固體結構相比，這種仿生設計的多級孔結構有利于降低結構的密度和復介電常數，使得多數電磁波可以進入到吸波體內部實現良好的阻抗匹配，也有利于擴展電磁波的吸收頻帶寬度；（2）有序排列的三維多孔碳球不僅能形成導電網絡實現電損耗，還有助于電磁波在周期性結構內部以及多尺度界面進行散射和多重反射，提升材料將電磁能轉換為熱能的能力；（3）多孔碳球上大量缺陷和雜原子的官能團可以產生費米能級的局域化態，也有利于電磁波的吸收和衰減；并且碳基材料自身易實現電子傳輸，可以通過極化弛豫實現電磁波能量消散；（4）磁性的Co@Co3O4納米球引入到多孔碳球上，能繼續改善多孔碳球與空氣介質的阻抗匹配，并引入了以渦流損耗和自然共振為主的磁損耗，這種介電損耗和磁損耗的協同作用進一步增強了材料的吸波性能。

圖3 三維有序多孔Co@Co3O4/NMCS的電磁波損耗和吸收機理示意圖

為進一步驗證該吸波復合材料對電磁波的吸收和**效果，研究團隊將其涂覆在**的平面縫隙結構和復雜三維結構上，對結構相應的雷達散射截面（RCS）縮減效果進行了仿真研究。研究結果表明，這種復合材料作為吸波涂層使用可以****縫隙、二面角等對雷達波有強散射作用結構所產生的反射波、繞射波和行波等，大幅縮減原有結構的RCS，能夠在雷達波段實現良好的隱身效果。

圖4 Co@Co3O4/NMCS在金屬上**縫隙結構應用的仿真研究

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zzj 2021.3.29