Ni Flower/MXene-Melamine Foam Derived 3D Magnetic/Conductive Networks for Ultra-Efcient Microwave Absorption and Infrared Stealth
Haoran Cheng, Yamin Pan, Xin Wang, Chuntai Liu, Changyu Shen, Dirk W. Schubert, Zhanhu Guo, Xianhu Liu*
Nano-Micro Letters (2022)14: 63
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00812-w
1. 利用静电自组装和浸涂工艺构建了超轻三维复合泡沫材料。
2. Ni/MXene的“微电容器”结构和MF泡沫的三维多孔结构赋予其优异的阻抗匹配和吸波性能。
随着5G通讯技术的发展和相关设备的大范围应用，各种电子设备在给人们的生活带来高效便利的同时，也会对人体健康造成潜在的影响。为了应对日益严重的电磁污染，迫切需要能够满足各种需求的高性能微波吸收材料。在未来，吸收器的应用可能会扩展到更复杂的环境和领域，这就要求吸收器具有更多的功能来满足日益增长的需求，多功能化是未来先进吸波材料的发展方向，然而目前这方面的研究很少。郑州大学刘宪虎教授课题组通过静电自组装和浸涂工艺制备了三维Ni/MXene-MF复合材料。研究结果表明，得益于多孔结构和介电/磁性组分的异质界面所赋予的优异阻抗匹配、多重极化以及电-磁耦合效应，使得该复合材料具有优异的微波吸收性能。复合材料在1.8 mm时获得了6.88 GHz的有效吸收带宽，覆盖整个Ku波段；另外，在厚度为2 mm时获得最小反射损失值为–62.7 dB，在此基础上，Ni/MXene-MF还具有优异的隔热、红外隐身和阻燃性能。
制备分为两步(图1a)：通过水热反应和CTAB改性合成带正电荷的Ni花，然后通过静电自组装工艺实现与MXene的耦合，得到Ni/MXene杂化的“微电容器“结构；通过浸涂使Ni/MXene组装在PDA改性的泡沫上得到具有三维多孔结构的Ni/MXene-MF复合泡沫。从图1b可以看到，位于39°处的最强峰消失，表明铝层被选择性去除；(002)峰向较低的角度移动，证明剥落MXene纳米片的层间距离增大。静电自组装后，进一步向低角度方向移动的(002)强有力地表明花瓣状Ni的引入有效地减轻了MXene纳米片的自堆积。Ni/MXene的XPS图谱(图1d-g)验证了Ni花与MXene之间的结合。此外，FTIR光谱也证实了类似官能团的存在，550、1620和3430 cm⁻¹处的峰对应于C-F、Ti-O和-OH (图1c)。这些丰富的官能团可以引起偶极极化和缺陷极化，从而增强电磁衰减能力。
图1. (a) Ni/MXene-MF的制备示意图；(b) Ti₃AlC₂、Ti₃C₂Tₓ、Ni flower和 Ni/MXene的XRD图谱；(c) Ti₃C₂Tₓ和Ni/MXene杂化物的FTIR光谱; Ni/MXene的XPS图谱：(d) 全谱，(e) Ti 2p, (f) C 1s, (g) Ni 2p。
图2a观察到MXene呈褶皱状薄膜结构，Ni花具有明显的花瓣状结构，其平均尺寸在1 μm (图2b)，对于Ni/MXene，Ni花均匀的锚定在MXene表面或被MXene包裹(图2c-f)。与MF的光滑表面相比，MXene-MF的骨架及周围区域有MXene成功组装(图2g)，Ni花-MF的骨架有大量均匀致密的Ni花(图2h)，对于Ni/MXene-MF，Ni/MXene紧密均匀地包裹在MF骨架上(图2i)。
图2. (a) Ti₃C₂Tₓ，(b) Ni花，(c) Ni/MXene，(g) MXene-MF，(h) Ni花-MF，(i) Ni/MXene-MF的SEM图像；Ni/MXene的(d) TEM，(e) HR-TEM，(f) 是其EDS元素mapping图谱。
II 复合材料的微波吸收性能
良好的吸波材料应具有适当的阻抗匹配和优异的衰减常数。MXene-MF和Ni花-MF由于其自身的局限性展现出较差的吸波性能(图3a, c)，优化后的Ni/MXene-MF复合材料具有显著提高的微波吸收性能(图3b)。在厚度仅为2 mm时，Ni/MXene-MF (图3d)的最小反射损耗为–62.7 dB，有效吸收带宽高达6.24 GHz；在厚度仅为1.8 mm时，有效吸收带宽高达6.88 GHz，覆盖整个Ku波段。
图3. 在2-18 GHz频率下的三维反射损耗图：(a) MXene-MF；(b) Ni flower-MF；(c) Ni/MXene-MF；(d) MXene-MF-1.75 mm、Ni/MXene-MF-2 mm、Ni/MXene-MF-1.8 mm和Ni fower-MF-3.4 mm的最小反射损耗图。
通常，阻抗匹配和衰减特性是影响电磁波吸收性能的基本因素。其中， MXene-MF的|Zin/Z0|值远高于1 (图4a)，Ni fower-MF的|Zin/Z0|值远低于1 (图4c)，导致阻抗不匹配，大量入射电磁波被反射，微波吸收性能差。相比之下，Ni/MXene-MF的|Zin/Z0|值接近1 (图4b)，实现良好的阻抗匹配；同时，如图4d，Ni/MXene-MF具有较高的衰减常数。图5a进一步揭示了微波吸收性能、阻抗匹配和衰减能力之间的潜在关系；此外，图5b列出了先前报道的相关MF基复合材料的微波吸收性能。与其他MF基复合材料相比，Ni/MXene-MF具有轻质、薄匹配度(2 mm)、宽EAB(6.24 GHz)和强吸收性能(RLmin = -62.7 dB)等优点，被认为是微波吸波材料的理想选择。
图4. (a) MXene-MF；(b) Ni/MXene-MF和(c) Ni flower-MF的阻抗匹配；(d)衰减常数(α)的频率相关性。
Ni/MXene-MF的微波吸收机理如图5c所示。首先，Ni/MXene-MF的3D多孔框架可以形成互连的导电网络，这可以有效地帮助电子迁移，导致传导损耗和微波能量衰减。其次，具有类电容器结构的Ni/MXene可以提供大量的界面，这可能导致电荷在不断变化的电磁场中积累，产生界面极化效应。此外，层状MXene丰富的终止官能团和固有缺陷会在高频电磁场下引起偶极极化和缺陷极化。第三，在交替电磁场的作用下，Ni花通过自然共振和交换共振对电磁波进行衰减。最后，3D多孔结构可以增加微波在泡沫中的传播路径，经过多次反射和散射后，微波吸收效率可以提高，同时微波也在MXene和Ni花之间发生反射和散射。
图5. (a) 频率相关的α、RL和|Zin/Z0| Ni/MXene-MF-2 mm的值；(b) 与已报道的MF基泡沫复合材料的吸波性能比较；(c) Ni/MXene-MF的微波吸收机理示意图。
IV 复合材料的多功能性
为满足复杂环境中日益增长的应用需求，对Ni/MXene-MF的功能性进行了探究。如图6所示，Ni/MXene-MF具备隔热、红外隐身、阻燃等多功能性，确保了其作为一种稳定且耐用吸波材料的潜力。
图6. Ni/MXene-MF的热红外图像：(a) 在80°C的热台上经历不同时间；(b-c) 在手上的对比图；(d) Ni/MXene-MF的传热机理示意图；(e) 红外隐身应用示意图。
程浩然
本文第一作者
郑州大学 博士研究生
主要从事新型吸波材料，电磁屏蔽材料的开发及功能化研究。
刘宪虎
本文通讯作者
郑州大学 教授
高分子材料成型加工及功能化。
▍个人简介
郑州大学橡塑模具国家工程研究中心直聘教授，河南省高分子材料成型及模具国际联合实验室副主任，德中工业研究会名誉主席(埃尔朗根-纽伦堡大学)，《Journal of Renewable Materials》等国际期刊编委和客座主编，European Science Foundation项目评审专家等。主持国家自然科学基金、军工项目、中国博士后科学基金特别资助等10余项项目。出版著作1本，发表第一/通讯作者(含共同通讯)论文70余篇，被引用4200余次，ESI高被引论文4篇，H-index学术指数是39。指导学生获宝钢优秀学生奖、河南省硕士优秀毕业论文、郑州大学研究生优秀论文嵩山奖、郑州大学十佳研究生、国家研究生奖学金、河南省优秀毕业生、郑州大学优秀毕业论文等荣誉和奖励。
▍Email: Xianhu.liu@zzu.edu.cn
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2020JCR影响因子达16.419，学科排名Q1区前10%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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