Composites Part A：从功能单元到材料设计 - 可编程磁性纤维超复合材料最新进展

发布者:Yang Yang 日期:2021/12/7 浏览次数: 1662次

        近期，浙江大学功能复合材料与结构研究所（http://www.composites.zju.edu.cn/） 秦发祥研究员团队在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊上发表了题为"From functional units to material design: A review on recent advancement of programmable microwire metacomposites."的综述文章。

 (DOI:10.1016/j.compositesa.2021. 106734). 

        这篇综述文章系统地介绍了基于超材料的设计理念将磁性纤维嵌在聚合物基体中实现各种类型的可编程超复合材料的最新研究进展。在过往的研究中，调制磁性纤维超复合材料的电磁响应主要通过几何结构参数和施加外场来实现。最新的研究则从材料角度提出全新的调控策略，即通过设计磁性纤维功能单元并辅以特定的序构来对电磁响应进行编程控制——利用由结构弛豫和电磁阻尼定义的代码类型（纤维微结构）及波衰减、有效电导率和近场相互作用形成的代码模式（纤维排布）来实现对电磁特性的编程调控。

         这些可编程的磁性纤维复合材料是通过调整纤维的微结构和它们的序构来构建的。通过电流退火对单根Co₆₀Fe₁₅Si₁₀B₁₅磁性纤维的微观结构进行了改性，然后将退火后的磁性纤维与铸态丝以不同的顺序组合进行周期排列。利用这种策略，制备了两种不同类别的复合材料，即内置垂直界面的连续磁性纤维复合材料和随机分散磁性纤维复合材料，均显示出优异的电磁可调性。该种结构可通过引入碳基功能填料得到进一步拓展，从而产生优异的屏蔽效能。该论文通过详细讨论复合材料结构（如磁性纤维本征性能和复合材料介观参数）对电磁性能影响的物理机制，为结构健康监测、微波隐身、屏蔽和频率选择表面等具体应用提供了全新的设计思路。

 

 

 

图1: 磁性纤维在聚合物复合材料中的排列示意图 (a) 单一铸态磁性纤维 (A)，单一退火磁性纤维 30 mA (B) 40 mA (C)；(b, c) 不同排列的磁性纤维组合 (A 和 B)；以及 (A 和 C) (d) 波导系统的测量装置(频率范围：8.2–12.4 GHz) 包括两个连接到VNA的同轴适配器，用于获取纤维复合样品的散射S参数。波导中样品的尺寸为22.86×10.16×2 mm³。(e-h)制备和退火磁性纤维的基本结构、热学、磁学和电学特性；(i-k) 包含铸态的磁性纤维，以及不同退火电流30 mA 和 40mA制备的磁性纤维不同组合的复合材料的透射光谱。

 

 

图2: 含有单一类型随机分散短切纤维的复合材料：(a) 铸态(A)，(b) 30 mA退火 (B)，(c) 40 mA退火 (C)；含有 (d-f) 铸态 (A)和退火磁性纤维 (X)组合的随机分散短切纤维复合材料 (其中 X 对应B或C退火磁性纤维)，两种纤维以不同的比例分散在左右区域，磁性纤维总量为0.053 vol.%。虚线表示两种不同区域间形成的垂直界面。随机分散磁性纤维复合材料的散射机制： (g) 含有单一类型的磁性纤维；(h) 铸态和退火磁性纤维的组合。

 

 

 

图 3: 石墨烯纤维表面在(a, b) 分别在低和高放大倍数下的SEM图；(c) 石墨烯纤维的横截面(d) 氧化石墨烯片的TEM图。箭头指示纤维的褶皱表面和多层结构。(e) 含周期性排列微丝MMMMMM或石墨烯纤维GGGGGG和上述两者组合的复合材料的屏蔽效能(SE)。(f) 电磁波传播穿过含周期性分布磁性微丝/石墨烯纤维MMMGGG填充物/高分子复合材料的示意图。(g) 含随机分布填充物，如M+M 微丝或石墨烯纤维G+G 和上述两者组合M+G 填充物复合材料的屏蔽效能(SE)。(h) 电磁波传播穿过含随机分布M+G填充物/聚合物复合材料的示意图。

 

 

 

图 4: 多功能磁性纤维超复合材料的设计与应用路线图。

 

        该论文聚焦于磁性纤维电磁复合材料的基于材料角度的编程可调策略，对此类电磁复合材料领域的最新趋势进行了调研更新；主要贡献在于通过磁性纤维超复合物材料的设计、制备和表征，将超材料与复合材料的设计理念紧密结合，提出了新的材料角度的可编程策略与实现方法；该方法不仅可以指导高效带阻滤波器和微波屏蔽的设计，且对操控电磁波实现智能电磁复合材料以应用于相关工业领域也具有重要的科学价值与工程意义。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X21004486

作者简介  

Azim Uddin博士, 本文的第一作者，是浙江大学材料科学与工程功能复合材料与结构研究所(http://www.composites.zju.edu.cn/)的一名博士后。Azim博士一直致力于具有特殊电磁特性的多功能复合材料的制造、表征与应用研究，重点关注复合材料的电磁屏蔽、结构监测、微波吸收和可调谐特性。该项研究得到了国家重点研发计划、浙江省重点研发计划和浙江大学曹光彪高科技发展基金的资助。

 

秦发祥博士，本文通讯作者，浙江大学“百人计划”特聘研究员，国家重大人才工程入选者，中国复合材料学会青年科学家奖获得者，浙江大学“立德树人”优秀研究生导师，日本学术振兴学会Fellow，澳洲ARC DECRA Fellow。秦博士主要从事电磁复合材料方向的基础和工程应用研究。迄今发表 SCI 论文130余篇，现担任Journal of Electronic Materials副主编；Composites Communication编委；金属学报首届青年编委。中国复合材料学会青年工作委员会副主任委员与国际工作委员会委员、中国超材料学会首届常务理事。