電磁超材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)（如負(fù)介電常數(shù),、負(fù)折射率、負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)介電行為有利于微波吸收阻抗匹配與正負(fù)介電疊層電容器的介電匹配,；較大的負(fù)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(shí)負(fù)介電常數(shù)可通過設(shè)計(jì)材料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fù)介電常數(shù)對溫度依賴性的研究很少，負(fù)介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系還不明確,，相關(guān)作用機(jī)理需要進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(fù)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(fù)介電行為符合Drude模型。此外,，高CNF的陶瓷復(fù)合材料的負(fù)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(jìn)一步探索了施加外部溫度場對CNF/ Al2O3超復(fù)合材料的負(fù)介電常數(shù)的調(diào)控作用（圖2）。結(jié)果表明,，負(fù)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(shí)現(xiàn)負(fù)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(fù)介電常數(shù)行為可以通過外部溫度進(jìn)行精確調(diào)控，這可以豐富負(fù)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(dá)到30 dB以上（圖3）,。研究發(fā)現(xiàn),，反射是材料的主要屏蔽機(jī)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(fù)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(xiàng)目,、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）科教產(chǎn)融合試點(diǎn)工程基礎(chǔ)研究類項(xiàng)目的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107660
