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多功能磁性MXene/石墨烯氣凝膠在電磁波吸收方面的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2021-04-01 作者：axc 分享到：

我們?cè)赥i3C2Tx MXene和石墨烯內(nèi)引入磁性納米粒子可**降低其與自由空間的界面阻抗不匹配性，結(jié)合有序多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)增加的電磁波在吸波體內(nèi)的損耗路徑和空間，將大幅增強(qiáng)電磁波在吸波材料內(nèi)的介電損耗和磁損耗。結(jié)合MXene、RGO、Ni納米鏈多組分的協(xié)同損耗作用和三維有序氣凝膠對(duì)電磁波的多重反射作用，獲得目前MXene基吸波材料所報(bào)道的**反射損耗(RLmin=-75.2 dB)以及吸收波寬(EABmax=7.3 GHz)。

本文利用氧化石墨烯(GO)、Ti3C2Tx MXene和Ni 納米鏈之間的靜電相互作用和氫鍵作用實(shí)現(xiàn)自組裝，通過(guò)簡(jiǎn)單定向冷凍方法和通過(guò)結(jié)合冷凍干燥方法獲得三維有序Ni/MXene/GO氣凝膠結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合溫和的水合肼蒸汽還原改性，獲得了同時(shí)具有介電特性和磁性能的多組分Ni/MXene/RGO (NiMR-H)氣凝膠。物理化學(xué)結(jié)構(gòu)表征顯示，水合肼蒸汽改性可同時(shí)實(shí)現(xiàn)GO和MXene的部分還原和N原子摻雜，**平衡三維網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)性和介電性，使三維有序多孔氣凝膠在保證MXene-RGO骨架介電特性的同時(shí)，避免電子傳輸通路的形成。形貌結(jié)構(gòu)揭示了氣凝膠周期有序多孔結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，磁性Ni納米鏈通過(guò)靜電作用緊密鑲嵌在MXene-石墨烯骨架表面，形成多重異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，有利于電磁波的多重反射散射和界面極化損耗。相比而言，通過(guò)低溫氨氣氣氛退火還原改性的NiMR-A氣凝膠盡管擁有相似的三維有序多孔結(jié)構(gòu)，但程度較深的退火還原改性導(dǎo)致NiMR-A氣凝膠內(nèi)形成電子傳導(dǎo)通路，不利于材料與空間阻抗的匹配性（圖1）。

通過(guò)真空輔助灌注PDMS樹(shù)脂，可無(wú)損保存NiMR-H氣凝膠結(jié)構(gòu)，得到用于電磁參數(shù)測(cè)試的復(fù)合材料，因NiMR-H氣凝膠密度僅為6.45 mg cm-3，其在支撐基體PDMS內(nèi)的含量?jī)H為0.64 wt%，**解決了傳統(tǒng)粉末型吸波劑分散不均、填充量高的問(wèn)題。吸波性能結(jié)果顯示，通過(guò)溫和還原改性可**提高氣凝膠骨架的介電特性和極化效應(yīng)，結(jié)合Ni納米鏈的磁損耗效應(yīng)以及三維有序氣凝膠對(duì)電磁波的多重反射作用，NiMR-H氣凝膠可以獲得**反射損耗(RLmin=-75.2 dB)以及**吸收波寬(EABmax=7.3 GHz)。相比而言，退火還原的NiMR-A氣凝膠因電子傳輸通路的形成表現(xiàn)出較弱的吸波效應(yīng)。此外，NiMR-H有序氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)致了其吸波性能在垂直和平行孔方向的各向異性，相比而言，當(dāng)微波入射方向垂直于孔方向可獲得**吸波性能（圖2）。

基于電磁參數(shù)分析，結(jié)合Debye松弛理論和磁損耗理論，確定了NiMR-H氣凝膠內(nèi)同時(shí)存在的多重界面極化效應(yīng)、傳導(dǎo)損耗、自然共振、渦流損耗、交換共振效應(yīng)等以及它們間的協(xié)同效應(yīng)。并采用有限元分析、離軸電子全息技術(shù)證實(shí)了氣凝膠孔道內(nèi)交變電磁場(chǎng)引起的電磁耦合效應(yīng)。結(jié)合介電-磁性多組分氣凝膠**的阻抗匹配特性和電磁波在多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的多重反射散射效應(yīng)，NiMR-H氣凝膠表現(xiàn)出“強(qiáng)”而“寬”的吸波特性（圖3）。

此外，源于水合肼蒸汽還原對(duì)氣凝膠表面化學(xué)特性的改變、以及氣凝膠的三維微納孔結(jié)構(gòu)，NiMR-H表現(xiàn)出疏水、隔熱、阻燃等多功能性。同時(shí)，剛性Ni納米鏈對(duì)MXene-石墨烯骨架的加強(qiáng)使氣凝膠具有一定的強(qiáng)度和彈性。

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