碳包覆磁性纳米粒子吸波机制及研究进展

李红盛，吴爱民,*，曹 暾，黄 昊

（1. 大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁省能源材料及器件重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024）

1 前言

电磁波（Electromagnetic waves，又称电磁辐射）是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波在真空中以光速（3×108m s−1）稳定传播，在全球无线通信、定位和检测系统等领域的应用中占据了压倒性的主导地位，使人类文明得以显著发展。随着5G时代的到来，高频引入、硬件零部件升级、互联网设备及天线数量的成倍增加，电磁干扰和辐射对电子设备的危害日益严重[1,2]。在军事领域，美军的F-117隐形战斗机、B-2隐形轰炸机、U-2高空侦察机和“海影号”试验船等先进军事设备在战争中显示出巨大的威力[3,4]。因此，寻求有效的手段降低和减弱电磁辐射在生活和军事领域的危害具有重要的意义。

电磁波吸收材料能促使电磁能转换为热能或经干涉相消而从根本上消除电磁波，具有较高的电磁波能量损失效率。随着纳米技术的蓬勃发展，这些材料已表现出许多先进的电磁功能，包括防止电磁污染和反雷达隐身。传统的吸波材料中，炭材料因密度低、价格低廉、制备工艺简单、性质稳定等优点而备受广大研究者青睐[1,5]。理想的吸波材料需要满足“厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强”等特性。虽然炭材料作为吸波材料取得了一定进展，但在实际应用中仍存在吸收强度低、低频吸收弱、吸收频带窄等缺点[6-8]。为了解决上述问题，炭材料吸波性能的改善围绕以下三方面展开：（1）低维化方向。低维化材料的表面效应、小尺寸效应以及量子尺寸效应能够获得特殊的光、电、磁和吸收性能。它们的微波吸收性能优于传统材料，也有助于相对减轻其重量。（2）炭复合材料。炭材料与磁损耗材料复合，双重损耗有助于材料性能的提升，同时各组分的协同作用可共同增强材料的电磁波衰减能力。（3）多结构的炭材料。为了提高电磁吸收功能，对微观结构的调控与设计已成为一个强有力的研究方向。通过将其设计为不同尺寸的碳包覆结构，其界面极化、传导网络、磁耦合、磁介电协同等组合效应可有效提升电磁波的吸收性能。

本文首先总结并探讨了电磁波的吸收机制和相关理论模拟计算公式，简要介绍了碳包覆磁性纳米粒子主要制备与改性方法，重点探讨了不同类型碳包覆磁性纳米粒子，包括碳包覆铁、碳包覆镍、碳包覆钴以及碳包覆多合金纳米粒子等微波隐身材料的研究进展。最后，本文针对碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料应用提出了相应的建议，并对其未来研究发展方向进行了展望。

2 电磁波吸收机制

电磁波吸收材料是指当电磁波入射到材料表面时，能有效地吸收雷达波，从而使目标的回波强度减小的一类功能性材料，电磁波传播与损耗路径如图1所示。因此吸波材料吸收电磁波的两大基本条件是[9,10]：（1）电磁波入射到材料表面时，能最大限度地进入材料内部，即要求材料具有匹配特性。（2）进入材料内部的电磁波能迅速地从电磁能转化为热能或者其他形式的能量而损耗掉，即要求材料具备损耗特性。

电磁波在介质中的传播行为可以简化为表面反射、内部衰减和透射的结合。对于负载均匀吸波剂的理想金属导体，其透射率（T）为零。吸波材料的发射率（R）、吸收率（）以及反射损耗（RL）可以通过传输线理论来进一步分析计算。假设平面电磁波沿Z轴方向垂直入射在单层介质层表面时，反射功率系数 Γ为[11]：

传输线的输入阻抗Zin为：

Zin(0)为金属基板与电磁波吸收材料之间的输入阻抗，Zin(0)=0；Zc代表电磁波材料的特性阻抗，γ是电磁波在材料内部的传播常数，α是衰减常数（Np m−1），β是相位常数（rad m−1），d为吸波材料的厚度（mm）。其中[12]：

Z0为自由空间的特性阻抗（Ω），，ε0=8.854×10−12F m−1，µ0=4π×10−7H m−1。ε，μ，εr，μr分别为绝对介电常数，磁导率和电磁波吸收材料的相对介电常数（εr=ε′−jε′′）、相对磁导率（μr=μ′−jμ″）。c为光速（3×108m s−1）。若改善材料的吸波特性，应从匹配程度与损耗程度来分析。衰减常数α为：

材料的反射损耗计算公式为：

结合公式（5）、公式（6）以及电磁波吸收材料的电磁参数，可以模拟优化不同厚度下吸波材料的吸收波段以及隐身特性。

3 碳包覆磁性纳米粒子制备技术

近年来，随着微波吸收材料在GHz波段受到越来越多的关注，其制备方法与制备技术也层出不穷。主要有热弧等离子体纳米粉体制备技术、水热合成法、MOFs衍生法以及溶胶凝胶法等。

3.1 热弧等离子体纳米粉体制备技术

热弧等离子体纳米粉体制备技术可用于碳基磁性纳米复合材料的物理合成，也是较早发现碳包覆复合结构材料的方法，通过控制两电极之间的距离、电压电路大小和气氛比等条件，调整纳米粒子的生成状态。其可控性高、样品纯度高、分散性好，但存在着合成参数多、产量低等缺点，不利于大规模生产。经多年探索，Huang等已能制备出多种均匀碳包覆磁性纳米粒子C@Fe、C@Ni、C@SiC@Ni以及C@Sn等[13,14]，微观结构如图2（a-d）所示。在系统的研究中发现，不同种类的纳米粒子有其特定的微波吸收频段。随着制备设备与技术的不断改进，Wu等[15]采用电弧放电法制备了碳涂层镍纳米胶囊，并通过改变电流大小探究粒径对磁性和微波吸收性能的影响。

3.2 水热合成法

水热法属于液相化学法的范畴，最早在19世纪中叶水热合成理论之上展开了水热法对功能材料的探究。水热合成法制备样品分散性好、粒子纯度高且形貌易于控制，水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同，因而可制备多种形貌的碳包覆磁性纳米粒子。同时水热法可直接制备晶体良好的粉体，简化高温和球磨处理，避免了该过程下的粉体硬团聚、杂质和结构缺陷。但水热法制备的复合材料需要特定温度及压力条件，用于碳基磁性纳米复合材料的规模化生产难度大。水热法被广泛报道用来制备多种炭基复合材料，如C@Fe，C@Co单金属纳米粒子[16,17]，C@Fe@Fe3O4[18]，C@NiCo2O4复合材料[1]，C@Fe3C异质结构[19]，C@MoS2纳米结构[20]等。同时也可制备多种形貌结构，如海胆状复合材料[1]，纳米空心球[21]、纳米链[22]以及纳米花[23]等结构，如图3所示。

3.3 溶胶凝胶法

溶胶-凝胶法是二十世纪中叶之后发展起来的一种制备无机材料的工艺，能够制备多种碳基纳米复合材料。1846年，法国化学家J. J.Ebelmen将乙醇与SiCl4均匀混合后[24]，在湿空气中发生水解并形成了凝胶。溶胶凝胶法可使反应物在分子水平上被均匀混合和掺杂，利于化学反应的进行，产物粒径小且具有较高的磁学性能，但通常溶胶-凝胶过程周期较长，操作复杂且成本较高。八十年代以来，在电磁波吸收材料，氧化物涂料、功能陶瓷粉料以及传统方法制备困难的复合氧化物材料上均有广泛的应用和研究。

3.4 MOFs衍生法

金属有机骨架化合物MOFs是由无机金属中心（金属离子或金属簇）与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料[26]。MOF衍生法制备复合材料制备过程简单，复合材料可具备多种特定的骨架架构和特殊的孔结构，有利于电磁波实现多重反射与散射。近年来在电磁波吸收领域，MOFs衍生法制备碳包覆磁性复合材料凭借其兼容的电磁双损机理以及低密度等优点在电磁吸收领域逐渐进入人们的视野。杜耘辰教授课题组报道了优化和调控MOFs衍生碳包覆磁性复合材料电磁吸收剂组分和微结构的策略主要包括热解双金属MOFs[27]、引入额外的磁性/碳组分[28,29]、化学刻蚀[30]、模板介导组装[31]、界面离子交换[32]以及异质层包覆[33]等，材料结构如图4所示。但是目前MOF衍生法在吸波行业新兴起研究热潮且研究及实际应用制备碳基磁性纳米复合材料的实例较少。

4 碳包覆磁性纳米粒子的种类及研究进展

由于炭材料具有良好的介电性能、较低的比重、特殊的微观结构和优异的化学稳定性等优点，在电磁波吸收领域有着深远的应用前景，目前研究较热的有石墨烯、碳纳米管、多孔炭材料、泡沫炭等。但单一炭材料介电常数较大，不利于阻抗匹配，吸波性能较差，同时炭材料作为纳米材料之间的团聚程度高，难以均匀分散在基体当中。利用碳基复合材料调节其电磁参数，提高阻抗匹配特性并改善分散性，有望获得高效、轻质的电磁波吸收材料。Wang等[34]为了克服石墨烯易团聚和阻抗匹配差等问题，基于还原氧化石墨烯（rGO）和无定形炭球（ACMs）制备了夹层状石墨烯基复合材料。Wang等[35]通过简单的水热法成功合成了包裹多壁碳纳米管的空心立方体ZnSnO3复合材料（ZSO@CNTs），ZSO@CNT-130 °C复合材料在13.5 GHz时，最大反射损耗可达−52.1 dB，并在厚度仅为1.6 mm时，吸收带宽可达3.9 GHz。研究发现，优异的微波吸收性能归因于极化，传导损耗和特殊空心笼结构之间的协同效应。Xu等[36]采用热解和蚀刻法合成具有独特内部空隙和介孔壳的类红细胞结构-介孔碳中空微球（RBC-PCHMs）。复合材料在填充度仅为10%时，在X波段（8～12 GHz）表现出的有效吸收带宽（反射损耗小于−10 dB）大于3 GHz。极化损耗随着温度的升高而降低，而导电损耗却相反，证明在一定温度下有利于阻抗匹配性能的提高。近年来在炭材料中引入磁性吸收剂，通过多维结构和多重电磁损耗机制改善其吸波性能，是提高吸波性能的有效途径。磁性纳米金属吸波材料（如Fe、Co、Ni及其合金FeCo、CoxNi1-x、FeCoNi等）晶体结构简单，具有较高的饱和磁化强度和磁导率，从而表现出较强的磁损耗，但是磁性颗粒密度大，易发生氧化且趋肤效应明显。大量研究表明，磁性颗粒表面包覆炭材料形成核壳结构可有效改善磁性金属的分散性和电磁特性，能够缓解磁性颗粒密度大的劣势并调控电磁参数，同时异质结构可产生多重界面，介电损耗和磁损耗的双重作用可有效增强电磁波吸收。

4.1 碳包覆铁纳米粒子（C@Fe）

作为最常用的过渡金属元素之一，铁元素（Fe）因优异的磁响应特性而被广泛应用于电磁波吸收领域。研究表明，结合磁性组分构建C@Fe复合材料是提高磁损耗、改善阻抗匹配、拓宽吸收带宽、增强吸收强度的有效途径之一。Zhang等通过热弧等离子纳米粉体制备技术已经成功制备C@Fe纳米粒子[37]，如图5a所示，在3.2～18 GHz波段之间表现出较宽的吸波频带（RL＞−20 dB）和较强的吸收强度（−43.5 dB，图5b），优良的微波吸收特性主要是因为微观结构中适当的电磁匹配、较强的自然共振以及“核/壳”界面的多极化。Liu等[38]详细研究了石墨炭层对Fe纳米颗粒的微观结构、热稳定性和电磁特性的影响，形貌结构如图5c。发现石墨层可以帮助Fe/C纳米胶囊稳定地存在于220 °C的空气中，而纯Fe颗粒在90 °C时就会发生氧化。石墨壳中存在大量缺陷，有助于增加磁/介电损耗和衰减常数，Fe/C纳米胶囊在10.8 GHz，反射损耗达到−33.1 dB。

C@Fe复合材料还可以通过高温燃烧前驱体获得，Fe纳米粒子在高温下对C具有催化石墨化作用[39]，使得石墨层包覆在Fe纳米粒子上更为容易，核壳结构既可以有效缓解金属粒子的氧化，也可以进一步改善复合材料的介电损耗特性，减少涡流损耗对磁导率的影响，从而得到优异的电磁波吸收材料。Qiang等[39]利用普鲁士蓝(Prussian blue，PB)为前驱体，PB经炭热还原得到Fe/C复合材料。证明磁性组分均匀分布的Fe/C复合材料可有效减少电磁波吸收盲区，并具备良好的电磁波衰减特性和阻抗匹配（图5d），表现出超宽的吸收频带(7.2 GHz，10.8～18.0 GHz)。Wang等[40]利用静电纺丝制备Fe/C纳米纤维，提高了Fe纳米颗粒的抗氧化性并降低了材料的密度，在2.2～13.2 GHz范围内获得良好的吸波性能，在低频4.2 GHz波段得到最大反射损耗值−44 dB。为增强C@Fe复合材料综合电磁波吸收能力，也有研究报道多种结构以及多制备方式，以期利用多组分的协同作用增加材料的吸波特性。

4.2 碳包覆镍纳米粒子（C@Ni）

金属镍（Ni）在低频S波段（2.0～4.0 GHz）、C波段（4.0～8.0 GHz）以及Ku波段（12.4～18.0 GHz）都表现出较为出色的电磁波吸收性能[41,42]。但是单金属Ni的涡电流对磁导率的弱化较严重，有研究者通过设计复杂结构的镍材料降低涡流效应对电磁波的影响，特殊结构的Ni材料由于制备过程复杂，有效吸收波段也受限，影响进一步的应用和发展。在此背景需求下，Zhang及其合作者成功制备了C@Ni纳米胶囊[43]，纳米胶囊在基体中均匀分散，能够降低纳米粒子间的磁耦合效应，增加纳米粒子的有效表面各向异性，构建纳米尺度几何中的电磁匹配以改善电磁特性。在厚度2 mm下，C@Ni纳米胶囊在13 GHz下表现出最佳的反射损耗值−32 dB。同时研究也表明，碳包覆镍核壳型复合材料既实现了多组分复合提高电磁波吸收和损耗的能力，也有效缓解了单金属Ni粒子在空气中严重氧化的现象[44-46]。

大量学者也探究了不同结构下的碳包覆镍复合材料的吸波性能的变化。Cheng等[47]通过化学法制备了六边形和面心立方的Ni/石墨烯复合材料，证明Ni/石墨烯纳米复合材料的微波吸收性能明显强于单金属Ni纳米结构。Ni/石墨烯纳米复合材料在中低频（2.0～10.0 GHz）下表现出显著的电磁性能。Liu等[48]通过Ni金属有机框架为前驱体制备了Ni@C纳米球，研究了热解温度对电磁性能的影响。当热解温度为700 °C时，最大反射损耗达到−73.2 dB（12.3 GHz），结果表明，其独特的分层结构和核壳结构协同地使复合材料具有良好的匹配阻抗特性，对入射电磁波具有较强的衰减能力。Wu等[15]在纳米复合材料制备过程中，通过控制电流大小调整Ni@C纳米胶囊的粒径大小。随着电流增加，纳米胶囊的平均粒径从25到53 nm均匀增加，C壳的厚度保持独立性。混合了平均粒径为25 nm的Ni@C纳米胶囊，在11.6 GHz时表现出−32 dB的最佳反射损耗值。随着Ni@C纳米胶囊粒径的减小，复合材料的反射损耗的峰值转移到较低频率且有效吸收带宽从5.8 GHz增加到11.7 GHz。同时，更多种结构的Ni@C纳米花[29]、纳米片[49]、纳米链[46]等也被不断深入的研究和探索，来调节匹配介电损耗和磁损耗能力以增强复合纳米材料的综合电磁波吸收能力。

4.3 碳包覆钴纳米粒子（C@Co）

除金属Fe、Ni外，金属钴（Co）元素也是常见的磁损耗金属材料，Co具有较高的饱和磁化强度（Ms）和各向异性场（K）[50,51]。然而，由于缺乏介电损耗和阻抗匹配，吸收体要同时拥有高强度和宽频带吸收仍然是一个重大挑战。Zheng等[52]发现，相对于单金属元素Co，C@Co纳米复合材料表现出更加优异的矫顽力（772 Oe）和微波吸收特性，进一步证明了矫顽力的提高可有效缓解复合材料中涡流效应。单金属Co的吸收频带相对较窄，这与其导电网络结构所形成的涡电流有关[53-56]，因此更多学者将目光转向C@Co复合材料。Huang等具备了较为成熟的C@Co纳米粒子制备技术[13]（图6a），纳米C@Co粒子的直径约为20～30 nm。C@Co纳米粒子微波吸收特性相对较弱，在复合材料为3.1 mm时，在低频波段4.8 GHz最佳反射损耗为−8.5 dB。电磁波吸收特性主要归因于微观结构的适当电磁匹配，强大的自然共振以及多极化机制配合等。

采用不同的制备合成方法，可得到纳米片状、球形、空心微球及花瓣状[57-60]等微观结构的吸波材料。多种形貌结构的碳包覆钴纳米粒子也展示出较好的吸波特性。Wen等[61]通过合理调节双金属MOFs的生长和热解过程，成功制备了新型分层结构Co@CNTs复合材料，Co纳米颗粒引起的磁损耗可以改善阻抗匹配，Co@CNTs-2复合材料拥有的最大反射损耗值达到−76.7 dB（图6b），有效吸收波段达6.2 GHz，证明了不同长度和密度的碳纳米管与金属材料复合的传导损失和孔隙率的共同作用是导致电磁波衰减的主要原因。Qiang等[62]利用MOF衍生法制备了多面体结构Co/C复合材料，主要由无定形碳骨架构成，如图6c所示。当吸收剂厚度为2.0 mm时，Co/C复合材料的有效带宽达3.8 GHz（10.7～14.5 GHz），最大反射损耗为−32.4 dB。复合材料优异的吸波性能得益于其特殊的微结构和多重界面弛豫过程。Liu等[63]利用电弧放电法制备了Co/C纳米粒子，饱和磁化率和矫顽力分别为159.9 emu g−1和275.7 Oe，最小反射损耗值为−43.4 dB（图6d），证明较低石墨化程度的碳组分更加有利于电磁波吸收。

4.4 碳包覆磁性合金纳米粒子

碳包覆单组分磁性纳米复合材料虽然研究成果较多，但随着5G通讯技术的飞速发展，还无法全方位的满足高频、大带宽对吸波材料的高性能需求，即“薄、轻、宽、强”。综上，相比碳包覆单组分磁性纳米粒子，碳包覆磁性合金纳米粒子能够展现出较强的自旋极化耦合和电子转移特性，在吸波领域表现出更大的发展潜力和发展空间。同时，磁性合金纳米粒子与炭材料复合同样能够防止合金氧化，降低涡流效应。目前的研究主要集中于C@CoFe[64,65]、C@CoNi[66-69]、C@FeNi[70-72]以及C@FeCoNi[73,74]等不同形貌的碳复合多组分磁性金属等复合材料方面。Liu等[75]通过简单的一步溶剂热处理，制备了一系列具有不同表面形态的Co20Ni80合金层次结构，包括花状、海胆状、球状和链状形态，晶体结构如图7a所示，海胆状Co20Ni80分层结构的微波反射损耗在3 GHz时达到−33.5 dB（图7b）。Ouyang等[73]采用MOFs衍生方法制备了空心球状三金属合金FeCoNi@C吸波材料，所制样品在厚度为2.1 mm和3.1 mm时，可以实现Ku和X波段的充分吸收。在700 °C的退火温度下，复合材料最小反射损耗值在5.52 GHz处达到−69.03 dB，如图7c所示。中空多孔结构可以多次反射和散射电磁波，增加传播过程中的能量损耗。同时，在交变的电磁场中，导电的FeCoNi纳米颗粒和无定形碳之间的电子转换和迁移将共同形成一个高导电的网络，这有助于传导损耗机制（图7d）。Wang[6]等对异质结构NiCo-LDHs@ZnO纳米棒进行热处理，得到了NiCo@C/ZnO复合材料。在介电损耗和磁损耗的协同作用下，在2.3 mm的匹配厚度下，可以实现出色的吸收性能，反射损耗为−60.97 dB（图7e）。为层状双氢氧化物在微波吸收材料领域的开发和利用提供了参考，也为层状结构吸收体的设计提供了思路。同时，为了致力于节能减排的核心理念，Zhao[66]利用活性竹纤维和CoNi-MOF合金成功制备了竹纤维/钴镍合金，在11.12 GHz的最大反射损耗达−75.19 dB，吸收性能归功于活性竹纤维的孔隙率增加，将导致电荷极化和多层界面极化。同时，添加的磁性金属将进一步改善多极化、磁损耗和阻抗匹配。表1汇总了不同碳包覆磁性纳米粒子吸波性能对比表。

除常见吸波金属材料Fe、Co、Ni外，近年来，其他一些复合金属材料，如C@CoZn[76]、碳包覆磁性氧化物C@NiCo2O4@Fe3O4[1]、Carbon Fibers/FeCo/CuO[77]、SnO2/Co3Sn2@C[78]、ZnFe2O4@Carbon@MoS2/FeS2[22]、半导体材料Graphene/SiC[79]也被纷纷研究并报道。研究结果表明，在2～18 GHz的频率范围，各类纳米复合粒子具有不同的吸收频段及表面特性，都表现出较好的电磁波吸收性能。最近作者利用热弧等离子体纳米粉体制备技术合成了一系列Ni@SiC@C双壳纳米粒子[14]。发现核心Ni、介电材料SiC和石墨C的作用本质上增加了纳米粒子中的偏振源，导致出色的复介电常数和高反射损耗。Ni@SiC@C双壳结构相当于电容Cp和电阻Rp，作为并联电路制造界面极化。证实了对微波吸收和衰减有利的构象是来自并联电路的界面极化、介电材料C-SiC壳的偶极极化和磁性纳米粒子的自然共振。而通过调控壳层的厚度，可以有效增加界面极化位点并进一步改善全波段（0.1～18 GHz）的电磁波吸收特性。研究表明这种复合材料优异的电磁波吸收性能归因于独特的电容器结构、多元件的协同耦合效应以及最佳的阻抗匹配。因此，Ni@SiC@C双壳纳米粒子有望成为一种在多个频率范围内具有强吸收能力的新型微波吸收材料。

表 1 不同碳包覆磁性纳米粒子吸波性能对比表Table 1 Comparison of electromagnetic wave absorption performance of different carbon-coated magnetic nanoparticles.

当前碳包覆磁性纳米粒子在提高吸波性能、拓宽吸收频带上取得了一些积极的进展和突破，但是仍然存在一些问题：（1）碳包覆磁性纳米粒子在复合形式上，改进传统复合模式、构筑多维空间结构复合吸波材料以增加电磁波损耗机制、增强电磁波损耗能力方面有待进一步研究。（2）虽然碳包覆磁性纳米粒子在一定程度上降低了复合吸波剂的填充密度，但是“轻”的问题并没有完全解决。（3）在复合材料吸波性能综合设计方面的系统理论研究不够深入，研究大都处于实验室研究阶段，未获得广泛的实用和实质性的突破。因此许多学者也是基于碳包覆磁性纳米粒子结构，对其进行了深入探索。Wang等[80]把MOF衍生法制备的FeCo@C纳米粒子限域在碳纳米笼里，碳纳米笼的形成可抑制FeCo PBAs在高温热解过程中的微观结构塌陷并能增强FeCo@C复合材料的阻抗匹配与介电损耗能力。Liu等[81]以金属-有机骨架为前驱体，在B，N-共掺杂空心碳多面体上制备了核壳CoNi@石墨碳，复合吸波材料最佳反射损耗达−62.8 dB，有效吸收带宽为8 GHz。因此，为兼具“薄、轻、宽、强”的特性且能在全波段（2～28 GHz）实现有效吸收（RL＜−10 dB），碳包覆磁性纳米粒子未来还有较大的研究价值与发展前景。

5 碳包覆磁性纳米粒子的应用前景与发展趋势

在5G电子通讯设备不断更新换代的局势下，碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料的不断发展也势在必行。但是在全波段隐身、吸波强度、材料厚度以及密度等方面依旧不尽人意，无法与飞速发展的现代环境相匹配。所以，为了进一步提高碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料的吸波性能，通过对炭材料和磁性纳米粒子进行成分、结构、形貌、组成、处理方式等调控手段来构建不同高性能的电磁波吸收复合材料。新材料的研发、新工艺的设计与开发也必将是吸波材料日后的研究热点和重点。碳包覆磁性吸波隐身材料必将朝着纳米化、复合化、多功能化和高应用性等全方位发展。吸波材料也必将朝着“薄、轻、宽、强”的综合性方向发展。因此，碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料还可以从以下几个方面不断拓展延伸：

（1）理论突破：突破传统物理机制的理论限制，能够从基础理论方面诠释相关技术难点，分析碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料的本征吸收与隐身机理。从成分、维度、尺度、微观结构等方面建立与电磁波吸收之间的关系。

（2）仪器表征：研发能够直接表征纳米粒子微波隐身材料磁、电之间关系的设备仪器，使全波段下“电磁场、微观结构、能量转换”等因素之间的关系清晰透明化，让电磁波吸收机理的分析更加清晰化、通俗化、多元化。

（3）利用模拟软件调控电磁参数，反向设计复合材料：目前以实验为主的试错法来优化电磁波吸收复合材料的结构和性能，效率低下，亟需发展通过理论计算优化电磁波吸收复合材料的新方法。通过调整复合材料的介电常数与磁导率，建立吸波材料的电磁仿真模型，依据波段隐身需求，能够反向计算并模拟隐身性能，简化复合材料制备过程，达到高效隐身的效果。

（4）多频段隐身：随着多频谱探测威胁的日益严峻，现役材料越来越难以满足隐身性能要求。目前研究者对于电磁波吸收的研究大多集中在2～18 CHz波段，然而随着米波和毫米波探测技术的不断发展，复杂环境对电磁波吸收材料的多频段吸收提出更加苛刻的要求。因此，碳包覆磁性纳米吸波隐身材料应兼具对米波、厘米波、红外光和激光等多波段的兼容隐身。

（5）材料复合化：低维化材料有利于电磁波吸收材料实现轻量化，在低维化方向发展的大趋势下，后续的研究主要集中在成分复合与结构优化上。成分复合趋向于碳包覆磁性多组元纳米粒子，丰富磁损耗隐身机理；结构优化趋向于多层核壳结构、片状结构、梯度层状结构以及链状结构等多种复合型结构，能够更好的解决阻抗匹配和电磁损耗的问题，获得宽频带的吸波材料。

（6）多功能化：随着5G、6G通讯技术的不断发展，单一功能的吸波材料难以满足军事科技的发展，新型碳包覆磁性纳米粒子也需要满足和实现不同环境下的要求，例如耐高温、耐腐蚀、高力学性能与高韧性、超疏水性、绿色、环保和价格低廉等都将成为未来碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料不断发展的方向，最终实现结构与功能一体化的全方位发展。

（7）实际应用性：目前文献研究中的吸波隐身材料和反射损耗多是基于传输线理论进行的模拟计算。且现役战机中，例如美国的F-22，F-35战机等在高强度飞行过程中多面临隐身涂层破裂、剥落的情况，机体的维修以及涂层的维护都耗时耗费，因此后续研究应基于碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料在现役隐身涂层领域中的实际问题展开，不断提高现役隐身材料的实际应用性能。

6 结论

综上所述，单一型吸波材料的损耗机制单一，阻抗匹配较弱，无法满足不断提升的电磁波吸收要求。碳包覆磁性纳米颗粒研究重点是丰富复合材料的成分、优化吸波材料的结构，使其磁性材料的磁损耗与炭材料的介电损耗共同作用，优势互补，相互平衡并协调。并通过优化复合吸波材料成分组成与微观结构等控制材料的介电常数和磁导率使其具有优异的阻抗匹配特性和衰减特性，从而制备出具有良好电磁吸收性能的复合材料。除此之外，随着对碳包覆磁性纳米粒子微波隐身材料的不断深入研究，将在电磁波吸收领域展现出更加广泛的应用前景。

致谢

感谢中央高校基本科研业务费(DUT20LAB123和DUT20LAB307)；江苏省自然科学基金(BK20191167)。