Advanced Science:低温烧结制备基于MXene的高强度玻璃吸波材料

二维材料Ti3C2Tx(MXene)同时具有优异的电磁损耗能力和较高的模量,因而非常适合作为第二相来构建具有优异力学性能的结构型陶瓷吸波复合材料。然而,目前以MXene为损耗相的复合材料大多只能以有机聚合物为基体,且很容易呈现高反射的电磁屏蔽特性。这一方面是由于MXene材料的热稳定性较差,无法与无机非金属材料的高温制备过程相兼容;另一方面,MXene的高介电损耗和高比表面积也使得复合材料的整体阻抗匹配难以调控。东华大学罗维研究员、范宇驰研究员和江莞教授报道了一种以EMT分子筛为前驱体制备的MXene/Ni/铝硅酸盐(AS)玻璃多级结构复合材料,巧妙地解决了上述两个问题,并首次获得了兼具优异吸波和力学性能的MXene/玻璃基复合材料。

图1 烧结温度的确定及烧结对玻璃复合材料微观结构的影响。

EMT粉体在热处理后结构垮塌为纳米级的AS粉体,具有极高的烧结活性,极大的降低了玻璃材料的烧结温度,在700℃获得了50%致密度且具有介孔特性的多孔AS玻璃材料。在这样的低温下,MXene虽然发生了轻微的氧化但主要结构得到了保持。同时,利用EMT具有阳离子交换的特性将具有磁性的Ni纳米颗粒均匀的引入到玻璃基体中,作为复合材料电磁特性的微调制器取得电磁损耗和阻抗匹配的平衡。

图2. MXene/Ni/AS玻璃复合材料的微观结构。

由于复合材料是以MXene@EMT的片状粉体为原料烧结而成,MXene在加压烧结后的复合材料中自然形成面内方向的取向排列。这一高度各向异性的结构极大的降低了复合材料在面外方向上的电导损耗,在充分利用MXene极化损耗能力的同时遏制了阻抗失配。原位引入的Ni纳米颗粒均匀分布在MXene纳米片之间,其含量可以通过离子交换精确控制。这些0维纳米颗粒在通过与MXene的界面效应增加损耗能力的同时,其对磁导率的影响同时起到了优化阻抗匹配的作用。

图3. MXene/Ni/AS玻璃复合材料的吸波性能及吸波机理。

因此,利用分布在高度取向的MXene之间Ni纳米颗粒的控制可以很方便地实现损耗能力和阻抗匹配之间的平衡。该玻璃复合材料在X波段的反射损耗可低至-59.5dB,有效吸收宽度在Ku波段可达4.1 GHz。事实上,计算结果显示总可以找到某一不大于4.5mm的最佳匹配厚度使得2-18 GHz中的任一频段反射损耗小于-20 dB。考虑到该材料极低的密度(1.51 gcm-3),该玻璃复合材料的综合吸波性能与已知的无机非金属基复合材料相比表现上乘。

图4. MXene/Ni/AS玻璃复合材料的力学性能。

此外,MXene的引入还显著提升了复合材料的强度和硬度,也是相对于有机高分子基复合材料的重要优势之一。研究表明该玻璃复合材料的抗压强度可达84 MPa,明显优于一般的多孔陶瓷材料。与多孔玻璃基体材料相比,这种具有多级结构的玻璃复合材料还展现出对接触破坏更好的抵抗能力,这主要归因于材料中金属Ni的引入。因此,这种基于二维MXene 和零维Ni金属颗粒的多级结构复合材料为结构-吸波一体化复合材料的设计提供了新的思路。

论文信息:

A Robust Hierarchical MXene/Ni/Aluminosilicate Glass Composite for High-Performance Microwave Absorption

Wei Luo*, Mengya Wang, Kangjing Wang, Peng Yan, Jilong Huang, Jie Gao, Tao Zhao, Qi Ding, Pengpeng Qiu, Haifeng Wang, Ping Lu, Yuchi Fan*, Wan Jiang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202104163

链接:https://doi.org/10.1002/advs.202104163