吸波材料：一种新颖的MXenes/纳米碳球复合材料
上一篇 / 下一篇 2018-05-30 13:25:41/ 个人分类：科技前沿
随着现代军事快速的发展，军事目标的生存能力和武器系统的突防能力受到严重挑战，对武器装备的“隐身”能力提出了更高的要求，因此，军事的迅速发展对高性能的电磁波吸收材料的需求越来越迫切，性能良好的吸波材料不但可以增强目标物（飞机，坦克，轮船等）的隐身性能，还可以极大地提高武器的生存率。另外，随着电子设备的普及与通信系统的完善，处于微波范围内的移动电话（0.8~1.5 GHz, 3 GHz, 4 GHz）、卫星广播系统（11.7~12.0 GHz）、局域网系统（2.45 GHz, 5.0 GHz, 19.0 GHz, 22.0 GHz）等通讯设备的使用越来越频繁，这些设备方便了我们的日常生活，但是随之而来的电磁污染问题也愈发严重（危害身体健康、干扰仪器、信息泄露等）。因此，研制高性能的电磁波吸收材料对于国防及民用均具有重要意义。
近日，郑州大学张锐教授团队范冰冰副教授和郑州航空工业管理学院赵彪博士制备出了一种新颖的二维层状Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料。作者利用一定浓度的氢氟酸溶液长时间腐蚀Ti3AlC2陶瓷后，发现在Ti3C2Tx的表面以及层间会原位生成大量的碳球（D=30 nm~60 nm）。此外，作者合理地阐明了碳球的生成机理，并将这种具有优异电磁波吸收性能的复合材料应用于吸波材料领域。该成果以“Novel Two-Dimensional Ti3C2Tx MXenes/Nano-Carbon Spheres Hybrids for High-Performance Microwave Absorption”为题发表于Journal of Materials Chemistry C（DOI: 10.1039/C8TC01404C），论文第一作者为郑州大学硕士生代斌洲。
图1 腐蚀不同时间的Ti3AlC2得到的XRD图谱，S1, S2, S3, S4和S5分别对应的时间为1 h, 3 h, 6 h, 9 h和12 h。
（图片来源：J. Mater. Chem. C, 2018, Advance Article DOI: 10.1039/C8TC01404C）
图2 (a)为Ti3AlC2的SEM图谱，(b), (c), (d), (e)和(f)分别为腐蚀不同时间的Ti3AlC2得到的SEM图谱，对应的时间为1 h, 3 h, 6 h, 9 h和12 h。
（图片来源：J. Mater. Chem. C, 2018, Advance Article DOI: 10.1039/C8TC01404C）
作者对二维层状Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料进行了一系列表征。图一为Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的XRD图谱，从图中可以看出作者成功制备了Ti3C2Tx MXenes材料，该材料的(002)衍射峰随着腐蚀时间的增加向低角度位移，这种现象产生的原因是碳球的出现会使Ti3C2Tx MXenes的层间变大。图2为不同样品的SEM形貌图。经过6小时的腐蚀后，Ti3C2Tx MXenes的表面开始出现纳米碳球，随着腐蚀时间的增加，纳米碳球的直径增大且数量增多。
图3 (a)图为样品S1(1 h), S2(3 h), S3(6 h), S4(9 h)和S5(12 h)分别与50 wt％的石蜡混合后在2 mm厚度下的反射损耗曲线。(b)图为样品S5与50 wt％的石蜡混合后在不同厚度下的反射损耗曲线。(c)图为(b)图的三维图。
（图片来源：J. Mater. Chem. C, 2018, Advance Article DOI: 10.1039/C8TC01404C）
图4 (a)合成Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的机理图。首先，利用一定浓度的HF溶液把Ti3AlC2中的Al层抽出。然后，HF酸溶液中的H+和F-继续“攻击”Ti3C2Tx使部分的Ti-C键断开，之后游离的碳将会迁移到Ti3C2Tx的表面与层间形成纳米碳球。(b)合成Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的流程图。(c)图为Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的吸波机理示意图。
（图片来源：J. Mater. Chem. C, 2018, Advance Article DOI: 10.1039/C8TC01404C）
图3为样品的反射损耗曲线，经过12小时腐蚀的Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料具有非常优异的电磁波吸收性能。通过调节样品的厚度可以使其在3-18 GHz的频带下损耗反射值均达到-10 dB以下，当样品厚度为4.8 mm时，其最小反射损耗可达-54.67 dB。图4（a）为合成Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的机理图。首先，作者利用一定浓度的HF溶液把Ti3AlC2中的Al层抽出。然后，HF溶液中的H+和F-继续“攻击”Ti3C2Tx使部分Ti-C键断开，随后，游离的碳将会迁移到Ti3C2Tx的表面与层间形成纳米碳球，这是碳球的生成机理首次被提出。图4 （c）为Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的吸波机理示意图。
Ti3C2Tx MXenes具有较高的电导率，然而高电导率对于电磁波吸收材料来说是致命的，材料的电导率过高时,大多数入射的电磁波将被反射，而不能进入材料内部。作者首次利用一定浓度的氢氟酸长时间腐蚀Ti3AlC2，得到了Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料。作者对Ti3C2Tx MXenes/纳米碳球复合材料的电磁参数进行研究，结果显示，碳球的出现可有效地增加样品的介电损耗，作者将这种结果归因于：1、无定型的碳是一种良好的介电损耗材料；2、碳球与Ti3C2Tx MXenes形成了异质界面，在电磁场中会产生界面极化。此外，本文还详细报道了
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