Small Science: MXene纳米复合材料的梯度结构设计用于高强宽频吸波

随着电子和通讯技术的迅速发展,电磁污染问题日益严峻,发展高效宽频的吸波材料成为解决这一问题的主要手段之一。MXene作为新型二维材料因其高电导率、高比表面积和丰富的极性官能团成为极具潜力的吸波剂。然而,MXene与空气的阻抗失配使电磁波难以进入材料内部,吸波能力无法真正发挥。因此,改善MXene与空气的阻抗匹配成为首要目标。

遗憾的是,阻抗匹配与损耗电磁波的能力是一对矛盾体,良好的阻抗匹配意味着对电磁波较弱的损耗能力。梯度结构由于其逐步递增的介电性能恰好可解决这一矛盾。低介电一侧与空气具有良好的阻抗匹配,可诱导电磁波进入材料内部,高介电一侧具有强损耗能力,对进入其内的电磁波可强烈损耗吸收。然而,关于梯度吸波结构的报道很少,且梯度结构各层与总体吸波性能的关系尚不清楚。

鉴于此,东南大学孙正明教授团队在Small Science上发表了研究论文,报道了一种简单的三层梯度结构设计,实现了高强宽频电磁波吸收,并提出三层梯度结构设计的基本原则。

在本工作中,作者将不同质量比的MXene和PVA溶液混合,通过浇铸干燥工艺制备出不同MXene含量的单层复合薄膜,并通过重复浇铸干燥制备出三层梯度薄膜。制备流程如图1所示。

图1. 单层和三层梯度结构复合薄膜的制备流程示意图。

单层复合薄膜的最小反射损耗和有效带宽如图2所示。虽然最小反射损耗可达-63.8 dB,但有效带宽仅为1.1 GHz。单层复合材料与空气阻抗失配,电磁波在材料表面反射强烈,在特定的厚度和频率下,一次反射和二次反射电磁波发生强烈的干涉相消,出现吸收峰,表现为较低的反射损耗。但由于这种干涉相消需要非常匹配的厚度和频率,因此有效带宽很窄。

图2. 单层复合薄膜的最小反射损耗和有效带宽。

梯度薄膜经优化后最小反射损耗可达-74.8 dB,同时,有效吸收带宽覆盖整个X波段。如图3所示,相同厚度下,梯度薄膜的吸波性能显著优于组成梯度薄膜的各单层薄膜的吸波性能。此外,作者还计算了不同梯度结构的反射损耗,如图4所示。当中间层介电常数接近表层和底层介电常数平均值时,反射损耗最低。中间层介电常数固定时,最优厚度基本固定且与中间层介电常数呈正相关,即中间层介电常数减小,最优厚度减小,反之亦然。这些规律为合理设计梯度吸波材料提供了基本指导。

图3. 相同厚度下三层梯度材料和各组分单层材料的反射损耗随频率的变化。

图4. (a)不同梯度结构的最小反射损耗随反射层(底层)厚度的变化。(b)不同梯度结构的最优反射层(底层)厚度和损耗层(中间层)厚度。

不同于单层薄膜依赖干涉相消达到吸收峰值,梯度薄膜主要依靠良好的阻抗匹配提高材料的吸波性能。梯度薄膜表层MXene含量低,介电常数小,与空气的阻抗匹配良好,因此大部分电磁波能够进入材料。中间层MXene含量适中,介电常数适中,且通过表层的过渡与入射电磁波的阻抗匹配得到改善,大部分入射电磁波可进入其内并被吸收。底层MXene含量较高,对电磁波的损耗能力最强,且通过表层和中间层的过渡,与入射电磁波的阻抗匹配得到大幅改善,大量电磁波可进入底层并被吸收。图5描述了梯度结构的吸波机制,通过梯度递增的介电常数设计,更多电磁波可进入材料内部并与MXene相互作用,从而被耗散吸收。

图5. 三层梯度结构的吸波机制示意图。

论文信息:

Gradient Multilayer Design of Ti3C2Tx MXene Nanocomposite for Strong and Broadband Microwave Absorption

Yajun Zhang, Long Pan*, Peigen Zhang, Zhengming Sun*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200018

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202200018