電磁超材料因其獨特的物理性質(zhì)（如負介電常數(shù)、負折射率、負磁導(dǎo)率等）而受到越來越多的關(guān)注,，在電磁屏蔽、新型天線,、電容器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。超復(fù)合材料是電磁超材料的一個分支,，其與具有周期性結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)超材料不同,，超復(fù)合材料的負介電常數(shù)主要由材料本身的微觀結(jié)構(gòu)和組成決定。負介電行為的有效調(diào)節(jié)是超復(fù)合材料的一個重要研究方向,，可用于滿足多種應(yīng)用需求,。例如,，超復(fù)合材料的弱負介電行為有利于微波吸收阻抗匹配與正負介電疊層電容器的介電匹配；較大的負介電常數(shù)絕對值有利于材料在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用,。前期研究已證實負介電常數(shù)可通過設(shè)計材料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,。通常地，材料介電行為不僅與材料本身的成分和微觀結(jié)構(gòu)相關(guān),，還與外界條件相關(guān),，如外界溫度。但超復(fù)合材料的負介電常數(shù)對溫度依賴性的研究很少,，負介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系還不明確,，相關(guān)作用機理需要進一步研究。
近日,，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部環(huán)境工程材料創(chuàng)新團隊采用熱壓燒結(jié)法制備了不同碳納米纖維（CNF）含量的氧化鋁（Al2O3）陶瓷復(fù)合材料,，研究了CNF含量和外界溫度對超復(fù)合材料電性能的影響（圖1）。結(jié)果表明,，CNF含量為2 wt%的復(fù)合材料表現(xiàn)出負介電行為,，這是由于CNF三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中自由電子的低頻等離子體狀態(tài)，負介電行為符合Drude模型,。此外,，高CNF的陶瓷復(fù)合材料的負介電常數(shù)絕對值增大，這是由于增加的CNF網(wǎng)絡(luò)為自由電子提供了更多的路徑,，以及材料內(nèi)部的自由電子濃度變大,。
圖1.不同CNF含量的Al2O3陶瓷復(fù)合材料的介電頻譜
然后，進一步探索了施加外部溫度場對CNF/ Al2O3超復(fù)合材料的負介電常數(shù)的調(diào)控作用（圖2）,。結(jié)果表明,，負介電常數(shù)的絕對值隨著溫度的升高而增加,，特別是較低頻率下,，變化較為明顯。這是由于溫度的增加激發(fā)出更多的自由電子,，因而可以通過改變外部溫度實現(xiàn)負介電行為的調(diào)控,。有趣地是，與調(diào)節(jié)材料成分和結(jié)構(gòu)相比,，復(fù)合材料的負介電常數(shù)行為可以通過外部溫度進行精確調(diào)控,，這可以豐富負介電常數(shù)的調(diào)整手段，有助于拓展超復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域,。
圖2. CNF/Al2O3復(fù)合材料的電學(xué)特性與溫度依賴性
此外,，高CNF含量的復(fù)合材料在Ku波段具有良好的電磁屏蔽性能，屏蔽效能達到30 dB以上（圖3）,。研究發(fā)現(xiàn),，反射是材料的主要屏蔽機制,，材料內(nèi)部CNF導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是提高電磁屏蔽性能的重要組織結(jié)構(gòu)。
圖3.不同CNF含量的Al2O3陶瓷復(fù)合材料的總屏蔽效能(a)和反射,、透射,、吸收系數(shù)(b)
近日，相關(guān)成果以“碳納米纖維/氧化鋁超復(fù)合材料在不同外部溫度下的高可調(diào)負介電常數(shù)（Highly tunable negative permittivity of carbon nanofiber/alumina metacomposites at different external temperatures）”為題發(fā)表在國際知名期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上,。
齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部2020級研究生劉元會為文章的第一作者,，程傳兵副教授為文章的通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金,、中國高校產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金,、山東省博士后創(chuàng)新項目、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）科教產(chǎn)融合試點工程基礎(chǔ)研究類項目的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107660
