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AFM:“杀”敌利器–具有优异电磁波吸收性能的石墨烯包覆MXenes空心球的泡沫材料

AFM:“杀”敌利器--具有优异电磁波吸收性能的石墨烯包覆MXenes空心球的泡沫材料

AFM:“杀”敌利器--具有优异电磁波吸收性能的石墨烯包覆MXenes空心球的泡沫材料

【研究背景】

电磁波的广泛应用使得电磁波吸收材料(吸波材料)成为人们关注的焦点。目前,吸波材料主要有两方面的应用。第一,吸波材料可以吸收雷达发射的电磁波,使得雷达面对探测对象“睁眼黑”,例如隐身飞机。第二,吸波材料吸收人们生活环境中的电磁波,减少信号污染和保护人们身心健康。

评估吸波材料的性能指标包括两方面。第一,电磁波反射损耗,表征对电磁波的吸收能力,一般要求该值小于-10 dB;第二,吸收电磁波频率的范围,覆盖的频率范围越宽越好。这两个因素主要取决于吸波材料的阻抗匹配和损耗能力。良好的阻抗匹配能够保证电磁波进入材料内部。当电磁波进入材料内部后,介电损耗、磁损耗和导电损耗将电磁能损耗为热能。

可穿戴器件的兴起要求吸波材料具有质量轻和厚度薄的特点。因此,“轻质、薄、吸收强、频带宽”是吸波材料研究的挑战和目标。

【成果简介】

近日,西北工业大学殷小玮教授团队在Advanced Functional Materials发表题为“Self‐Assembly Core–Shell Graphene‐Bridged Hollow MXenes Spheres 3D Foam with Ultrahigh Specific EM Absorption Performance”的最新研究成果,Li Xinliang是文章的第一作者。研究人员基于还原氧化石墨烯(RGO)和MXenes两种二维材料,整合三维结构的轻质以及空心核/壳结构中富集界面的优点,获得了吸收强、吸收频率范围宽、质量轻和厚度适中的吸波材料,为吸波材料的研究提供了新思路。同时,该结构在能量存储、传感器和可穿戴器件中具有应用前景。

【研究亮点】

1)利用模板法制备了RGO/MXenes三维海绵结构,赋予材料轻质特点。

(2)在三维结构中,RGO附着在MXenes空心球的表面,引入了大量界面结构,有利于电磁波的损耗。

(3)明确了MXenes含量对吸波性能的影响机理,获得了厚度适中,综合性能良好的吸波材料。

【主要内容】

AFM:“杀”敌利器--具有优异电磁波吸收性能的石墨烯包覆MXenes空心球的泡沫材料

图1 材料厚度、介电常数及介电损耗对吸波性能的影响

要点解释:对于无磁材料,材料的厚度和介电性能是影响吸波性能的主要因素。计算表明,若要达到相同的吸收效果(反射损耗小于-10 dB),材料厚度越小,所要求的介电常数和介电损耗越大。但是,为保证电磁波能够进入材料内部,材料的介电常数不能过大。

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图2 材料的微观结构对吸波性能的影响

要点解释:阻抗匹配要求材料具有低介电常数,而高介电性能是吸收性能的保证。相较于传统的A/B结构(A: 低介电;B:高介电,吸波性能强),引入具有适中介电性能的C组分构成的A/B/C和A/B-core/C-shell结构具有较好的阻抗匹配。同时,A、B和C三相之间形成的大量异相界面能够提高材料的介电性能。其中,在A/B-core/C-shell结构中,对介电性能的增强效果最显著。

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图3 吸波材料的制备过程和结构特征

要点解释:核壳结构和三维泡沫结构均是吸波材料设计的常用思路,该文章巧妙地将这两种结构结合在一起。首先,通过溶液法将 MXenes薄片包覆在PMMA球的表面,得到MXenes/PMMA球,再将GO薄片包覆在MXenes/PMMA球表面。然后,利用冰晶法获得GO/MXenes/PMMA三维泡沫结构。最终,通过热处理移除PMMA,获得RGO/MXenes的三维结构。

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图4 RGO/MXenes吸波材料的微观结构

(a) 材料置于花朵之上,表明其密度低;

(b, c) MXenes/PMMA球的微观结构,表面粗糙;

(d, e, f) MXenes球的微观结构;

(g, h, i) RGO/MXenes三维结构的微观结构及其示意图;

要点解释:RGO/MXenes三维结构主要有两方面的优势。一方面,材料内部富集大量界面,增强了极化,改善了介电性能,最终提高了吸波性能。另一方面,空心和泡沫结构引入大量气孔,使得材料的密度仅有实心材料的1%。

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图5 RGO/MXenes吸波材料的性能

(a) 介电性能,MXenes含量越多,材料的介电性能越高;

(b, c, d, e, f, g) 材料厚度和MXenes含量对吸波性能的影响;

(i, j) 吸波性能比较,RGO/MXenes具有游戏的电磁波吸收能力;

要点解释: RGO/MXenes材料的介电性能随着MXenes含量的增多而升高,表明RGO/MXenes界面及其空心结构引入的界面能够有效地提高材料的介电性能(图5a)。MXenes含量是影响吸波性能的关键因素。MXenes能够提高介电性能,进而增强吸波性能,使得材料在较低厚度下就能满足反射损耗的要求,但是会降低材料的有效吸收宽度。所以,选择合适的MXenes含量对吸波性能至关重要。

【总结与展望】

目前,复合和微结构设计是研究者提高材料吸波性能的常用策略,例如低维材料的多相混合、核壳结构和三维泡沫结构均是相对成熟的方法。例如,低维材料组成的核壳或三维泡沫结构不仅能够降低密度,而且可以引入异相界面,最终改善综合性能。

在此基础上,该研究巧妙地综合了二维材料比表面积大、核壳空心结构内部富集界面、三维结构高气孔率的优点,获得了兼具吸收能力强、有效吸收频率范围宽、密度低、厚度小的新型吸波材料。

【文献链接】

Self‐Assembly Core–Shell Graphene‐Bridged Hollow MXenes Spheres 3D Foam with Ultrahigh Specific EM Absorption Performance. (Advanced Functional Materials, 2018. DOI: 10.1002/adfm.201803938)

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803938

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨沙枣树

主编丨张哲旭


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