东京热人妻中文无码,国产超碰人人,国产色

國儀量子掃描電鏡助力MXene基吸波材料實現低填充薄厚度寬帶高性能微波吸收

國儀量子 2025-10-18 | 閱讀：298

隨著第五代（5G）通信技術、物聯網和軍事隱身技術的飛速發展，電磁污染與干擾問題日益嚴峻。開發兼具“薄、輕、強、寬”（即厚度薄、重量輕、吸收強、頻帶寬）特性的高性能微波吸收材料成為當前研究的核心挑戰。

大連理工大學化工學院陳平教授團隊獨辟蹊徑，通過巧妙的材料設計與界面工程，成功構建了一種具有多層異質結構的空心Co/C微球/Li?Ti?O??(LTO)/TiO?復合材料，突破了傳統吸波材料帶寬與厚度難以兼顧的瓶頸。

研究中使用了國儀量子的SEM5000X超高分辨場發射電鏡

該突破性研究以題為“In-situ growth of Li?Ti?O?? on MXene and self-assembly with hollow Co/C microspheres to form an ultra-broadband and high-performance microwave absorber”的論文發表在《Chemical Engineering Journal》上。

研究背景與亟待解決的核心問題

傳統吸波材料如鐵氧體、碳材料等，普遍存在填充率高、厚度大、有效吸收帶寬窄等問題，嚴重限制了其實際應用。盡管二維材料MXene因其高導電性而備受關注，但其單一的介電損耗機制和較差的阻抗匹配導致吸波性能不佳。此外，在MXene中引入磁性組分以構建磁-介電協同體系時，如何實現磁性顆粒的均勻分散，避免團聚，是一個長期存在的技術難點。金屬有機框架材料衍生物雖能提供均勻分散的磁性金屬顆粒，但傳統的MOF衍生材料在熱解過程中易發生結構坍塌，且其阻抗匹配性能仍有待優化。

核心創新點與解決方案

針對上述挑戰，本研究提出了以下三大創新性解決方案：

1. 創新性地引入鋰鈦氧體作為新型極化中心

傳統MXene復合材料損耗機制單一，主要依賴MXene本身的導電損耗，極化損耗不足。本研究首次將鋰離子電池負極材料Li?Ti?O??(LTO)引入MXene基吸波材料體系。通過熱解過程中LiF與MXene的固相反應，在MXene層間原位生長LTO。LTO作為一種典型的絕緣體，與高導電的MXene碳層形成巨大的電導率差異，從而在二者界面處誘導產生強烈的Maxwell-Wagner-Sillars界面極化，極大地豐富了材料的極化損耗機制。

2. 構建“千層蛋糕”型多層異質結構與空心工程協同優化

材料阻抗不匹配導致電磁波大量反射，而且MOF熱解易坍塌，這些都是制約吸波材料發展的因素。通過模板法合成空心ZIF-67@PDA前驅體，熱解后得到空心結構的Co/C微球。該結構設計不僅降低了材料密度，其內部空腔還能引發電磁波的多次反射與散射，延長傳播路徑，增強能量耗散。通過靜電自組裝將空心Co/C微球與MXene/LiF復合，經熱解后最終形成“空心Co/C微球-LTO插層MXene-TiO?納米顆粒”(HCLT)的千層蛋糕結構（圖1a-d）。具體地，XRD與Raman的不同衍射峰位置也證明了HCLT樣品的成功合成。比較具有特點的是比表面積分析數據，如圖1(g-h)所示，HCLT樣品表現出典型的Ⅳ型等溫線，具有明顯的H4型滯后環(P/P0=0.4-1.0)，表明微孔和介孔共存。HCLT-3繼承了MXene基體的高表面積與MOF材料的多孔結構。介孔疇有利于形成廣泛的固-真空界面區，促進界面電荷積累，增強界面極化。復雜的孔隙分布，可以通過散射實現多尺度電磁波衰減。

該結構創造了包括Co/C、MXene/HCC、TiO?/LTO在內的多重異質界面，為界面極化提供了豐富場所。將空心工程與多層異質界面工程相結合，同步優化了阻抗匹配與衰減能力。

圖1 樣品形貌與表征圖

3. 發展簡化的“一鍋法”原位合成策略

復雜的多步合成工藝不利于材料的可控制備與大規模應用。我們摒棄了傳統繁瑣的LTO前驅體預處理步驟，直接利用兩步蝕刻制備的MXene/LiF作為鋰源和鈦源，利用ZIF-67@PDA熱解提供的氧環境，在熱解過程中一步原位生成LTO（圖2）。該策略簡化了工藝流程，降低了成本，同時確保了LTO在MXene層間的均勻生長和牢固結合，為新型異質結吸波材料的制備提供了新穎、高效的合成范式。

圖2 樣品制備過程

性能卓越，驗證創新設計

得益于上述創新設計，最優樣品HCLT-3展現出卓越的微波吸收性能：在2.26 mm的薄層厚度下，實現最小反射損耗-58.97 dB，意味著入射電磁波能量99.999%以上被吸收。而在2.23 mm厚度下，有效吸收帶寬高達8.50 GHz，覆蓋整個X波段和大部分Ku波段，足以應對多種復雜電磁環境。并且其在石蠟基質中的填充量僅為20 wt%，體現了材料的輕量化優勢（圖3）

圖3 樣品微波吸收性能

機制分析：通過電磁參數分析、Cole-Cole圖和損耗角正切計算，證實了導電損耗、界面極化、偶極極化和磁損耗等多種機制的協同作用，其中LTO引入帶來的界面極化貢獻顯著。具體而言，MP-TiO?@TCM(MXene熱解物)在高頻區表現出較小的極化峰，這是由于多相TiO?的固有缺陷和界面極化所致。HCC集成通過改善碳網絡而顯著改變了MXene基體的介電損耗行為，這可以通過峰值強度和位置位移來證明(圖4a-b)。樣品具有高的極化損耗占比(圖c-f)，對應LTO的極化機制，Cole-Cole曲線的大圓弧半徑同樣證實了這一觀點(圖4g-h)。

圖4 樣品介電損耗性能表征

通過對復磁導率的綜合分析，系統地研究了磁損耗機理(圖5a-d)。磁性損耗主要由HCLT中的Co納米顆粒提供，主要包括低頻的自然共振，中高頻的交換共振和高頻段渦流損耗，磁損耗與介電損耗效應相協同，共同優化阻抗匹配并提供額外的衰減通道，如圖5(e-h)中在delta函數方法計算下HCLT-3表現出的良好的阻抗匹配與圖(j)中較高的微波衰減常數。圖5k鮮明闡述了這一點。另外，存在的1/4波長的干涉相消效應也起到輔助衰減電磁波的作用(圖5l)。