Nanocomposites CoFe/C cœur-coque haute performance pour absorption micro-ondes large bande

Résumé

Des nanocomposites CoFe/C cœur-coque (CoFe@C) ont été fabriqués par décomposition thermique d'acétylène en utilisant CoFe₂O₄ comme précurseur. XRD, XPS, Raman, MET et analyse thermogravimétrique ont confirmé une coque de carbone amorphe de 5–30 nm d'épaisseur, comprenant ~48,5 % en poids du composite. La synergie entre les propriétés magnétiques intrinsèques et la haute conductivité électrique produit une performance d'absorption micro-ondes exceptionnelle : une perte de réflexion minimale (RL) de –44 dB à 4,0 mm et une bande passante –10 dB de 4,3 GHz centrée à 2,5 mm.

Contexte

L'interférence électromagnétique (EM) pose un défi croissant pour l'électronique moderne. Les matériaux absorbants micro-ondes (MAM) atténuent cela en convertissant l'énergie EM indésirable en chaleur ou autres formes inoffensives [1–5]. Les MAM idéaux exhibent une large bande passante, une forte absorption, une faible densité et une stabilité robuste [6–9]. Les nanostructures cœur-coque, en particulier, combinent de multiples mécanismes de perte — diélectrique, magnétique et interfacial — menant à une performance supérieure [10–14]. Par exemple, les nanorecouvrements Fe₃O₄/C ont atteint une absorption améliorée à basse fréquence [18], tandis que des composites CoFe@C ont démontré une bande passante effective de 4,3 GHz dans des rapports antérieurs [33]. Cependant, la synthèse scalable et uniforme de tels systèmes cœur-coque reste un défi.

Méthodes/Expérimental

Synthèse de CoFe₂O₄

CoCl₂·6H₂O (2,5 g) et FeSO₄·7H₂O (5,6 g) ont été dissous dans 80 mL d'eau déionisée et agités à 80 °C pendant 1 h. Une solution d'acide oxalique 1 M (30 mL) a été portée à ébullition et ajoutée lentement sous agitation vigoureuse, formant un précipité noir. Après refroidissement eau-glace, le précipité a été collecté, lavé à l'eau et à l'éthanol, et séché à 60 °C sous vide pendant 12 h. La poudre a été calcinée à 600 °C pendant 1 h (1 °C min^–1) dans un four à muffle.

Synthèse de CoFe@C

La poudre de CoFe₂O₄ a été placée dans une barque en porcelaine, introduite dans un four tubulaire, évacuée, puis exposée au gaz acétylène à pression atmosphérique. La réaction s'est déroulée à 400 °C pendant 1 h (5 °C min^–1). Après refroidissement, le nanocomposite CoFe@C a été récupéré.

Caractérisation

MET et HRTEM ont été réalisés sur un microscope JEOL JEM-2100. XRD a utilisé le rayonnement Cu Kα sur un diffractomètre Bruker D8 Advance. XPS a employé un spectromètre AXIS SUPRA avec Al Kα monochromatique (1486,6 eV). Les données thermogravimétriques ont été collectées avec un système TA Q600 (10 °C min^–1 dans l'air). Les spectres Raman ont été enregistrés sur un Renishaw inVia Reflex utilisant un laser 532 nm. Les mesures magnétiques ont utilisé un magnétomètre à gradient alterné MicroMag 2900/3900.

Mesure d'absorption micro-ondes

Les échantillons ont été mélangés (50 % en poids) avec de la paraffine et pressés en formes cylindriques. Les cylindres ont été découpés en tore (diamètre externe 7,00 mm, diamètre interne 3,04 mm). Les paramètres de réflexion et transmission (S₁₁ et S₂₁) ont été mesurés sur 2–18 GHz avec un VNA Agilent N5230A en utilisant la méthode de ligne coaxiale, à partir desquels la permittivité et la perméabilité complexes ont été dérivées.

Résultats et discussion

Analyse structurale

Les diagrammes XRD ont confirmé la structure spinelle inverse de CoFe₂O₄ (JCPDS 03-0864). CoFe@C a exhibé des pics d'alliage Fe-Co (JCPDS 44-1483) sans graphite cristallin, indiquant une coque de carbone amorphe. Les spectres XPS de sondage ont révélé C, O, Fe et Co, avec un pic C 1s à 284,5 eV (hybridation sp²). Les spectres Raman ont montré une bande D à 1345 cm^–1 et une bande G à 1604 cm^–1, confirmant davantage le carbone désordonné. Les images MET ont montré des particules de CoFe₂O₄ méso-poreuses (moyenne 40–70 nm) et des cœurs CoFe entourés d'une coque de carbone de 5–30 nm. L'analyse thermogravimétrique a indiqué une teneur en carbone de ~48,5 % en poids dans CoFe@C.

Propriétés magnétiques

CoFe₂O₄ a exhibé une aimantation de saturation (M_s) de 61,7 emu g^–1 et une coercivité (H_c) de 1536,8 Oe. CoFe@C a montré M_s = 42,6 emu g^–1 et H_c = 729,2 Oe, cohérent avec la littérature pour les composites CoFe/C. Le M_s modéré et H_c plus bas comparé au FeCo massif suggèrent que la coque de carbone réduit le piégeage des domaines magnétiques.

Performance d'absorption micro-ondes

CoFe₂O₄ a affiché une absorption faible (RL minimum ≈ –7,1 dB à 2,5 mm). En contraste, CoFe@C a atteint une performance remarquable : minima RL de –15,5 dB (17,1 GHz) à 2,0 mm, –17,9 dB (13,3 GHz) à 2,5 mm, –20,8 dB (10,9 GHz) à 3,0 mm, –26,1 dB (9,3 GHz) à 3,5 mm, –44,0 dB (7,9 GHz) à 4,0 mm, –31,8 dB (7,0 GHz) à 4,5 mm et –24,4 dB (6,2 GHz) à 5,0 mm. Notamment, RL < –10 dB a persisté sur 11,6–15,9 GHz (bande passante 4,3 GHz) à 2,5 mm, atteignant le critère d'absorption 90 % pour le blindage EM pratique.

Mécanismes de perte diélectrique et magnétique

La permittivité complexe de CoFe@C (ε′ = 5,5–9,1, ε″ = 2,0–5,4) a dépassé celle de CoFe₂O₄, attribuable à la haute conductivité électrique et à la polarisation interfaciale. La perméabilité magnétique (μ′ = 0,98–1,2, μ″ = 0–0,23) a indiqué une perte magnétique significative, surtout près des résonances naturelle (≈3 GHz) et d'échange (≈12,5 GHz), tandis que les pertes de courant de Foucault étaient négligeables (μ″μ′^–2f^–1 non constant). La tangente de perte diélectrique (tan δ_E ≈ 0,7) et la tangente de perte magnétique (tan δ_M ≈ 1,4) ont confirmé de forts mécanismes de perte. Globalement, la synergie de la perte par conduction, la polarisation dipolaire interfaciale et la perte magnétique résonnante sous-tend l'absorption supérieure de CoFe@C.

Conclusions

Nous avons introduit une voie scalable pour produire des nanocomposites CoFe/C cœur-coque avec une coque de carbone amorphe (~48,5 % en poids). Le CoFe@C résultant exhibe une absorption micro-ondes de niveau record : RL de –44 dB à 4,0 mm et une bande passante –10 dB de 4,3 GHz centrée à 2,5 mm. Ces métriques impressionnantes découlent d'une combinaison équilibrée de mécanismes de perte diélectrique et magnétique, positionnant CoFe@C comme un candidat fort pour les applications de blindage EM de prochaine génération.