MXene基纳米复合材料的制备及吸波性能研究

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电磁波防护材料已经广泛应用于国防、医疗等众多领域。二维层状金属碳化物(MXene)作为一种新型二维材料,有着独特的层状结构、良好的导电性、众多表面官能团和缺陷,在储能材料、吸附材料,还有吸波材料方面,都有非常多应用。在吸波材料方面,独特的结构和特性使其应用广泛,但由于高的电导性会导致阻抗匹配较差,限制了电磁波的吸收性能。本文将MXene(Ti3C2Tx)作为研究目标,通过掺杂、煅烧、磁化、复合等手段制备MXene基纳米复合材料。对纳米复合材料的组分、形貌、结构等进行研究分析,通过矢量网络分析仪研究纳米复合材料的电磁波吸收性能,讨论相关的吸波机理。研究结果如下:(1)通过在MXene表面掺杂Fe3O4、PPy@β2-Si W11Co,成功制备了高效的纳米复合吸收体。多金属氧酸盐和盐酸作为质子酸掺杂聚吡咯,在主链上附着阴离子,可以调节电磁参数,使纳米复合材料容易实现最佳导电性和阻抗匹配;Fe3O4引入磁损耗,Fe2+和Fe3+的自由运动引起多极化;纳米复合材料中的缺陷、偶极子和悬空键诱导了偶极子极化;不同材料间的电荷积聚,会使界面极化增强。研究了不同制备的一元到三元产物、不同的负载率和不同的组分比例对纳米复合材料吸波性能的影响。当填充量为45 wt%时,MXene/PPy@β2-Si W11Co/Fe3O4纳米复合材料在1.7 mm时的最佳反射损耗可达-62.6 d B,在1.5~2.9 mm的范围内可获得9 GHz的有效吸收带宽。(2)对MXene和硫脲经过高温煅烧产生的S-MXene(Ti O2)提供了丰富的缺陷和官能团,由此产生的偶极极化弛豫优化了介电性能。Ag的引入提高了纳米复合材料的导电性,而Co Ni合金可以提高磁损耗,改善阻抗匹配。适当的导电性、偶极极化、界面极化和磁损耗的协同作用可以增强纳米复合材料的电磁波吸收。S-MXene(Ti O2)/Ag/Co Ni纳米复合材料在厚度为2.1 mm(负载率50 wt%)时的最小反射损耗为-63.1 d B,在2.0 mm时的有效吸收频带宽为5.2 GHz。此外,通过对纳米复合材料的组分比例和负载率的调整(S-MXene(Ti O2):Ag:Co Ni=6:6:6;负载率为55 wt%),在1.5 mm处获得的最小反射损耗为-80.9 d B。(3)采用自组装和碳化等手段成功合成了MXene/NPC@W(O)x/Ni纳米复合材料。磷钨酸掺杂聚吡咯经碳化后形成NPC@W(O)x材料,碳化后形成的缺陷表明更多偶极极化的产生,且碳化后形成的多晶多相会引起多重界面极化,优化了材料的介电性能。Ni的引入会调节电磁参数,增加损耗机制,改善阻抗匹配。MXene/NPC@W(O)x(Fe Cl3)/Ni纳米复合材料在很薄的厚度下表现出了对入射电磁波的良好吸收性能。MXene/NPC@W(O)x(Fe Cl3)/Ni纳米复合材料在负载率为45 wt%,厚度为2.0 mm时有着-63.8 d B的最小反射损耗值,对应的有效频带宽为5.5 GHz,将厚度范围调节为1.7~3.5mm,有效频带宽可达到9 GHz。
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