羰基铁粉(Carbonyl Iron Powder，CIP)是一种性能优异的磁介质型吸波剂，具有良好的阻抗匹配特性、衰减特性和较宽的吸收频带^[1,2,3]。有机-无机杂化材料兼具有机与无机材料的功能特性，常用于制备多功能材料 ^[4,5]。将羰基铁粉与环氧树脂/乙基纤维素微胶囊结合，有望实现吸波功能和自修复功能的一体化。

Kimura S^[6]研究了羰基铁粉/PMMA复合材料的吸波性能，发现吸收剂羰基铁粉在聚合物基体中的分散程度直接影响复合材料的吸波性能。王振军^[7]发现，掺入羰基铁粉可提高羰基铁粉-碳纤维水泥基复合材料对高频电磁波的吸收带宽。崔荣振^[8]研究了羰基铁粉/石蜡、羰基铁粉/有机硅环氧树脂和羰基铁粉/环氧树脂复合材料的吸波性能，发现羰基铁粉/有机硅环氧树脂复合材料的吸波性能最佳。邹海仲^[9]研究了羰基铁粉与氧化铝粉的质量比对基体硅橡胶导热性能与吸波性能的影响，发现调整二者配比可改变硅橡胶的导热性能和吸波性能。当羰基铁粉掺量为80%、氧化铝掺量为10%时，与硅橡胶形成的复合材料具有良好的综合性能。Weng X D^[10]研究了片状羰基铁粉/氧化石墨烯/聚乙烯吡咯烷酮复合材料的吸波性能，发现介电材料与磁性材料间的协同效应提高了复合材料的吸波性能。Drmota A^[11]的研究结果表明，SrFe₁₂O₁₉与Fe₃O₄复合物在高、低频均具备良好的吸波性能。童国秀^[12] 的研究结果表明，Al₂O₃与羰基铁复合形成的核-壳结构复合粒子比羰基铁粒子的热稳定性更好，微波介电常数更低。郭军红^[13]分别将Fe₃O₄、RGO两种雷达吸波材料掺入以月桂酸为芯材、苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为壁材的相变微胶囊中，均能赋予相变微胶囊一定的吸波能力。王信刚^[14]用溶剂蒸发法以乙基纤维素为壁材、环氧树脂为芯材制备了自修复微胶囊，发现微胶囊不仅具备自修复性能，还具有良好的缓释性能。

普通自修复微胶囊不含吸波剂，而吸波剂是吸波材料的主要成分^[15]。普通自修复微胶囊掺入吸波材料相当于降低了复合材料整体吸波剂的均匀性，从而使材料的吸波性能降低。为了解决自修复微胶囊掺入基体中降低电磁吸收能力的问题，探明羰基铁粉对环氧树脂/乙基纤维素微胶囊吸波性能的影响规律及其作用机理，本文以环氧树脂为芯材、乙基纤维素为壁材、羰基铁粉为微波吸收剂用溶剂蒸发法制备羰基铁粉改性环氧树脂/乙基纤维素微胶囊，研究其波性能。

实验用原材料有：环氧树脂E-51，工业纯；乙基纤维素RT-N-7，分析纯；二氯甲烷，分析纯；明胶，工业纯；粒径为0.5 μm和3μm的羰基铁粉，工业纯。

微胶囊的制备流程如图1所示。将一定量的明胶与水混合，在60℃以650 r/min速率搅拌使明胶溶解，制备质量分数为5%的明胶乳化剂溶液。然后将其降温至30℃以下。将质量比为1:1的芯材环氧树脂E-51与壁材乙基纤维素溶解在适量的二氯甲烷中，待其溶解后按表1中的数据分别将羰基铁粉投入芯材和壁材的混合液中，并置于超声波清洗机中超声10 min以使羰基铁粉充分分散。然后将充分分散的羰基铁粉与芯材和壁材的混合液倒入质量分数为5%温度为30℃的明胶溶液中乳化3 h，并以650 r/min的速率搅拌。最后，将温度升至42℃并保持1 h恒温。溶剂蒸发后将其过滤、风干和分筛得到微胶囊。

用同轴法测试样品(微胶囊与石蜡按质量比9:1混合，然后将混合样品压制成高×外径×内径=2.00 mm×7.00 mm×3.04 mm的同轴环)的复介电常数和复磁导率，测试系统配有PNA-N5244A型矢量网络分析仪，频率范围为2~18 GHz。根据传输线理论使用公式^{[16,17,18,19]}

Z0=μ0ε0(1)

Zin=μεtanhj2πfdcμε(2)

RL=20lgZin-Z0Zin+Z0(3)

可模拟计算出样品的反射损耗。式中Z₀为空气中的输入阻抗；Z_in为材料输入阻抗；RL为电磁波垂直入射时材料的功率反射系数；μ₀和ε₀空气的磁导率和介电常数；f为电磁波的频率；d为材料厚度；c为光速；μ和ε分别为材料复磁导率和复介电常数。

分别用Quanta 200FEG型环境扫描电子显微镜(ESEM)和能谱仪(EDS)分析微胶囊的微观形貌和羰基铁粉在微胶囊中的分布，用Mastersize 2000型激光粒度仪表征微胶囊的粒径分布，用Nicolet5700型傅里叶变换红外光谱仪测试微胶囊的化学结构。

图2给出了微胶囊的反射损耗曲线，其中曲线a、b和c分别为样品1、样品4和样品7匹配厚度为2 mm时的反射损失曲线。由图2可知，在掺量相同的微胶囊样品4和样品7的反射损失低于样品1，说明掺入微波吸收剂羰基铁粉可提高微胶囊的吸波性能。对比曲线b和曲线c可知，当对应频带为2~9.76 GHz时样品4与样品7的反射损失曲线大致相同；当对应频带为9.76~18 GHz时，样品4的反射损失高于样品7。当电磁波频率为2 GHz时，样品1的电磁波反射损失为-0.03 dB，样品4和样品7的电磁波反射损失为-0.22 dB。当电磁波频率为9.76 GHz时，样品1对电磁波的反射损失为-0.16 dB，样品4和样品7对电磁波的反射损失为-1.35 dB。当电磁波频率为18 GHz时，未掺羰基铁粉的微胶囊样品1的电磁波反射损失只有-1.63 dB，而掺入粒径3 μm和0.5 μm羰基铁粉的微胶囊样品4和样品7的电磁波反射损失分别为-5.08 dB和-5.44 dB，分别降低了3.45 dB和3.81 dB。

使用激光粒度分析仪分析微胶囊的粒径，微胶囊的粒度分布如图3所示。由图3中的曲线a、b和c可以看出，掺入羰基铁粉使大粒径微胶囊的百分含量有所增加，D₅₀(累积粒径分布曲线上占总颗粒数的50%所对应的粒径)由a曲线中的79.94 μm移至b曲线和c曲线中的123.00 μm和115.93 μm。其原因是，羰基铁粉的掺入增加了原材料投入总量，从而使大粒径微胶囊的产率提高。对曲线a、b和c进行高斯曲线拟合，得到拟合曲线的相关系数分别为0.977、0.978和0.981，表明高斯分布能较好的描述微胶囊的粒径分布。

图4和图5分别给出了样品的整体形貌图和单个形貌图。从图4可见，随着不同粒径羰基铁粉(0.5 μm和3 μm)掺量的增加微胶囊间的团聚均呈减弱趋势。其原因可能是，掺入羰基铁粉减少了溶剂蒸发时壁材中孔通道的形成和环氧树脂的流出，从而抑制了微胶囊间的团聚。图5表明，羰基铁粉掺量为50%时，用粒径为0.5μm的羰基铁粉制备的微胶囊比用粒径3 μm羰基铁粉制备的胶囊整体形貌更好。从图4可以发现，当羰基铁粉掺量为50%时，羰基铁粉粒径为3 μm的微胶囊表面大多有塌陷，而羰基铁粉粒径为0.5 μm的微胶囊的球形更好。对比图4和图5可以发现，羰基铁粉被包裹在微胶囊壁材中使微胶囊表面出现了一些白色小点(图5f区域A)。

图6为羰基铁粉、普通微胶囊、环氧树脂、掺入羰基铁粉的微胶囊壁材以及掺入羰基铁粉的微胶囊的红外光谱图。在图6中FTIR曲线a、b和c可以发现波数为3055 cm^-1的不饱和C-H的伸缩振动吸收峰和波数为1510 cm^-1的C=C骨架振动吸收峰而曲线c和d中无，表明该特征峰为环氧树脂特征吸收峰，即原材料中的环氧树脂被成功包裹。通过比较曲线a和曲线c可以发现掺入羰基铁粉的微胶囊与不掺的微胶囊具有大致相同的FTIR曲线，表明微胶囊制备时，羰基铁粉没有与环氧树脂和乙基纤维素发生交联反应，从而保证了羰基铁粉的吸波功能。

图7和图8分别给出了样品4(3 µm、50%)和样品7(0.5 µm、50%)的微胶囊的EDS面扫描照片，图9给出了掺入水泥基材料中的微胶囊破裂后的微观形貌及铁元素EDS线扫描能谱分析。

从图7和图8可见，微胶囊表面有白色小点位置，铁元素含量较高。图9表明，在微胶囊壁材中也出现了类似的白色颗粒物。EDS线扫描分析表明，铁元素含量在壁材处骤然升高。根据分析，这些白色小点为嵌入微胶囊壁材中的羰基铁粉颗粒。由此可以推测，羰基铁粉主要分布在微胶囊壁材中。

图10a给出了羰基铁粉改性环氧树脂/乙基纤维素微胶囊结构示意图，图10b给出了电磁波在基体中的传播示意图。羰基铁粉的掺入改变了微胶囊的内部结构，使进入微胶囊内部的电磁波互相干涉或增加电磁波在微胶囊内的反射与散射，从而增大了微胶囊对电磁波的损耗。当羰基铁粉掺量相同时，粒径小的羰基铁粉颗粒数量多，与电磁波相互作用的面积大(颗粒数目越多，材料比表面积更大，材料表面原子数更多，且电磁波反射次数也更多)，电磁波间相互干涉的可能也大，从而更有效的将电磁波能量转化为其他形式能量，实现对电磁波衰减。因此，掺入粒径0.5 μm羰基铁粉的样品7对电磁波的衰减效果优于掺入粒径0.5 μm羰基铁粉的样品4，且样品4和样品7对电磁波的衰减效果优于未掺入羰基铁粉的样品1。

(1) 采用溶剂蒸发法制备的出羰基铁粉改性环氧树脂/乙基纤维素微胶囊，羰基铁粉嵌入乙基纤维素中物理结合成微胶囊壁材。掺入羰基铁粉使微胶囊的粒径变大，微胶囊粒径分布曲线的D₅₀由79.94 μm移至120 μm左右。

(2) 羰基铁粉提高了微胶囊对电磁波的吸收能力，在2~18 GHz频段掺入羰基铁粉的微胶囊对电磁波的吸收能力均高于未掺入羰基铁粉的微胶囊。对于频率为18 GHz的电磁波，未掺羰基铁粉微胶囊的反射损失只有-1.63 dB，而掺入粒径3 μm和0.5 μm羰基铁粉微胶囊的反射损失分别为-5.08 dB和-5.44 dB，分别降低了3.45 dB和3.81 dB。

(3) 掺入羰基铁粉可减弱微胶囊间的团聚。羰基铁粉掺量为50%的微胶囊有较好的分散性，掺入粒径为0.5 μm羰基铁粉的微胶囊其微观形貌比掺入粒径为3 μm的微胶囊好。

(4) 羰基铁粉掺量相同(掺量50%)时，掺入粒径为0.5 μm羰基铁粉的微胶囊比掺入粒径为3 μm羰基铁粉的微胶囊能更有效的将电磁波能量转化为其他形式的能量。