自然界許多物質(zhì)具有目前人工系統(tǒng)無法比擬的電磁波響應(yīng)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?zé)o關(guān)，而是因其幾何結(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)（Opal based structure）和反蛋白石結(jié)構(gòu)（Inverse-Opal-based structure）的三維有序多孔碳材料封裝Co/Co3O4吸波復(fù)合材料（Co@Co3O4/NMCS和Co@Co3O4/NMmC），探索了這兩種具有多級孔結(jié)構(gòu)的碳基吸波復(fù)合材料在微波頻段對電磁波的響應(yīng)規(guī)律，研究了不同組分構(gòu)成的吸波復(fù)合材料在1-18 GHz頻段電磁吸波效果，并對材料應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的雷達散射截面縮減效果進行了仿真研究。

以下是相關(guān)的圖文解析：

圖1 三維有序多孔Co@Co3O4/NMCS設(shè)計與制備示意圖

測試結(jié)果表明，這種三維有序多孔碳基吸波復(fù)合材料在1-18GHz頻段范圍內(nèi)表現(xiàn)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(jié)構(gòu)所設(shè)計制備的三維有序多孔碳基吸波復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的吸波性能，研究人員認為主要的電磁波響應(yīng)和損耗機理可以歸因于如下幾點：（1）和固體結(jié)構(gòu)相比，這種仿生設(shè)計的多級孔結(jié)構(gòu)有利于降低結(jié)構(gòu)的密度和復(fù)介電常數(shù)，使得多數(shù)電磁波可以進入到吸波體內(nèi)部實現(xiàn)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電損耗，還有助于電磁波在周期性結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生費米能級的局域化態(tài)，也有利于電磁波的吸收和衰減；并且碳基材料自身易實現(xiàn)電子傳輸，可以通過極化弛豫實現(xiàn)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(xù)改善多孔碳球與空氣介質(zhì)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(xié)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(fù)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(jié)構(gòu)和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)相應(yīng)的雷達散射截面（RCS）縮減效果進行了仿真研究。研究結(jié)果表明，這種復(fù)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(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反射波、繞射波和行波等，大幅縮減原有結(jié)構(gòu)的RCS，能夠在雷達波段實現(xiàn)良好的隱身效果。

圖4 Co@Co3O4/NMCS在金屬上**縫隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用的仿真研究

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zzj 2021.3.29