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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Qian J, Ma D, Zou Y, et al. Implanting Ag nanoparticles in SiOC ceramic nanospheres for exceptional electromagnetic wave absorption and antibacterial performance. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221084
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221084
1、导读
医用复合材料具有良好的电磁波吸收性能和抗菌性能，已引起人们的广泛关注。SiOC陶瓷由于具有轻质、耐高温、分子可设计性等优势，在电磁防护领域极具应用潜力。在这项工作中，我们通过液相法成功合成SiOC/Ag复合材料，并研究了Ag添加量对物相组成与微观结构的影响，实现SiOC/Ag陶瓷的吸波性能的按需设计。此外，SiOC/Ag复合材料在ROS机制下表现出良好的杀菌效果，为医疗器械涂层设计与制备提供可行思路。
图1 SiOC/Ag电磁波吸收与抗菌机理示意图
2、研究背景
随着5G技术的蓬勃发展和广泛应用，电磁波大大提高了人类和社会的便利性。同时，电磁波污染也引起了人们的广泛关注，它不仅会造成精密仪器的失真，还会威胁到人类的健康。因此，高效电磁波吸收材料的设计与开发受到了科学界的广泛关注。大多数研究人员致力于探索双功能电磁波吸波材料，如隔热，抗腐蚀（无机腐蚀）性能等，而具有抗菌性能的电磁波吸波材料应用于有机腐蚀环境的报道很少。在医疗领域，为了保证设备的正常工作或减少电磁波污染，大量的电磁波吸收涂层被应用于医疗器械和仪器中。此外，抗菌材料的应用在医疗器械领域也占有重要地位。抗菌材料一方面可以通过抑制或杀灭细菌有效预防感染，提高患者的生活质量和治疗效果；另一方面，电磁波吸收涂层可能被细菌腐蚀，导致其电磁波吸收性能失效。因此，开发一种具有抗菌性能的电磁波吸收涂层显得尤为迫切。本文采用简单的液相法制备了SiOC/Ag复合材料。Ag纳米粒子包埋在富碳SiOC纳米球中，形成丰富的异质界面，通过界面极化损耗衰减电磁波能量。此外，SiOC/Ag复合材料的高表面积增加了入射电磁波的反射和散射次数，增加了其能量消耗。最后，多种耗散机制使SiOC/Ag复合材料具有优异的电磁波吸收性能，其最小反射损耗值为-58.03 dB。此外，SiOC/Ag复合材料在ROS机制下具有良好的杀菌效果，这表明其在介质涂层方面具有重要的潜在应用前景。
3、文章亮点
本文采用液相法制备了SiOC/Ag复合材料。当SiOC/Ag-3填料含量为40 wt.%时，SiOC/Ag-3具有优异的电磁波吸收性能，在匹配厚度仅为2.82 mm的情况下，反射损耗最小值为-58.03 dB。其优异的电磁波吸收性能主要归因于多次反射、导电损耗和界面极化损耗协同作用。此外，RCS仿真结果表明，在-60°~ 60°入射角范围内，SiOC/Ag-3涂层PEC的RCS值均低于-20 dB·m2，具有较强的雷达隐身性能。此外，SiOC/Ag复合材料在可见光辐射下也通过活性氧对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌能力。这项工作为设计和开发具有电磁波吸收和抗菌性能的双功能复合材料在医疗器械中的应用提供了新的见解。
4、研究结果及结论
图2不同填料含量下SiOC/Ag-3复合材料的反射损耗值：(a)和(b) SiOC/Ag-3-20, (c)和(d) SiOC/Ag-3-30, (e)和(f) SiOC/Ag-3-40, (g)和(h) SiOC/Ag-3-50
图2显示了不同填料含量下SiOC/Ag-3的RL值。同样，SiOC/Ag-3-20也表现出较弱的电磁波吸收性能。当SiOC/Ag-3的负载增加到40 wt.%时，RLmin值达到-58.03 dB，匹配厚度仅为2.82 mm，具有优异的电磁波吸收性能。而对于SiOC/Ag-3-50，进一步增加SiOC/Ag-3含量，其RLmin值仅为-14.95 dB(图2 (g)和(h))。
图3 (a) PEC板、(b) SiOC/Ag-1涂层PEC、(d) SiOC/Ag-2涂层PEC、(d) SiOC/Ag-3涂层PEC的RCS模拟结果，(c)在入射角为-60°~ 60°范围内，PEC板和SiOC/Ag复合材料PEC的雷达截面模拟曲线，(f) SiOC/Ag涂层PEC在不同入射角下的雷达截面减小值。
为了进一步验证所获得的SiOC/Ag复合材料的雷达隐身性能，利用CST Studio Suite 2023软件对PEC板上SiOC/Ag涂在真实场景下的远场电磁波吸收性能进行了三维雷达散射截面(RCS)仿真，结果如图3所示。显然，SiOC/Ag-3涂层的PEC板（图3 (e)）的雷达散射信号最弱，这与SiOC/Ag-3复合材料优越的电磁波吸收性能是一致的。此外，图3 (c)显示了在8.8 GHz频率下监测的不同电磁波入射角下的雷达截面曲线。镀有SiOC/Ag的PEC板的RCS值均低于纯PEC板。特别是，SiOC/Ag-3涂层的PEC在-60°至60°角范围内的RCS值均低于-20 dB·m2。当电磁波入射角为20°时，镀有SiOC/Ag-2涂层的PEC板的RCS降幅最大，为29.36 dB·m2，镀有SiOC/Ag-3涂层的RCS降幅最大，为30.01 dB·m2，表明SiOC/Ag涂层由于多重反射、导电损耗和界面极化的协同作用，具有优越的雷达隐身性能。因此，SiOC/Ag涂层在电磁防护领域具有潜在的应用价值。
图4 大肠杆菌平板菌落计数照片
图5 金黄色葡萄球菌平板菌落计数照片
SiOC/Ag复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能如图4和图5所示。在光照条件下研究了合成的SiOC/Ag复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果。实验结果表明，SiOC/Ag在无光照环境下有轻微的杀菌效果，但效果不明显，这是由于Ag+的释放所致。SiOC/Ag-1、SiOC/Ag-2和SiOC/Ag-3抗菌过程中Ag+的释放率分别为9.810 ppm、13.307 ppm和13.102 ppm。通常，Ag+可以直接与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌蛋白相互作用，导致细菌溶解，破坏大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细胞膜，使其失去活性。而SiOC/Ag-1复合抗菌剂在可见光作用下，光照60 min后，97%的大肠杆菌和93%的金黄色葡萄球菌被杀死。SiOC/Ag-2和SiOC/Ag-3对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效率可达99%。显然，SiOC/Ag复合材料在光照射后可以获得优异的抗菌性能，这与活性氧（ROS）的产生有关。
图6电磁波吸收及抗菌机理示意图
图6给出了SiOC/Ag复合材料的电磁波吸收性能机理。首先，高比表面积SiOC/Ag复合材料增加了电磁波的反射次数，延长了电磁波的传播路径，从而增加了电磁波能量的消耗。其次，SiOC/Ag复合材料相互连接的导电碳网络有利于自由电子的输运，导致交变电磁场下的导电损失，从而衰减电磁波能量。最后但并非最不重要的是，SiOC，碳和银纳米颗粒之间的众多异质界面由于电导率的差异导致电子积聚，导致界面极化损失。因此，SiOC/Ag复合材料优越的电磁波吸收性能可以通过多重反射、导电损耗和界面极化的协同作用来实现。
5、作者及研究团队简介
第一作者（钱俊杰），景德镇陶瓷大学，材料科学于工程学院教师，2023年7月博士毕业于华南理工大学。同年，入职景德镇陶瓷大学，主要从事吸波材料和先驱体陶瓷的制备与性能研究。在Journal of Advanced Ceramics, Journal of the European Ceramic Society, Journal of the American Ceramic Society等国内外期刊发表论文30余篇，参与授权发明专利4件。
通讯作者（汪永清），景德镇陶瓷大学，材料科学与工程学院教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，中国膜工业协会理事，江西省建筑卫生陶瓷标准化技术委员会主任委员，入选江西省百千万人才工程、江西省“双千人才计划”，江西省高校中青年学科带头人、江苏省“双创人才计划”。主持承担国家863计划、国家重点研研发计划、国家国际科技合作、国家自然科学基金等国家级项目5项和省基金重点项目、科技支撑计划项目等省级项目5项；参与国家级项目8项、省级项目10余项。获国家科技进步奖二等奖1项，省级科技进步奖一、二、三等奖各1项，省自然科学奖三等奖1项，中国轻工业联合会科学技术进步奖二、三等奖各1项，全国科技工作者创新创业大赛金奖1项，中国专利优秀奖1项，发表学术论文100余篇（其中SCI/EI收录60余篇），申请专利30余项，已授权25项。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名，2025年中国科学院期刊分区表的材料科学1区的Top期刊。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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