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頂刊啟示：材料性能也加速內(nèi)卷！綜合性能不強，難登頂刊！

2021-05-21 15:57:05 作者：材料十來源：材料十分享至：

研究背景

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，特別是5G時代的來臨，電磁波輻射對環(huán)境的影響日益增大。在機場、機航班因電磁波干擾無法起飛而誤點；在醫(yī)院、移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學的一大課題。

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所謂吸波材料，指能吸收或者大幅減弱其表面接收到的電磁波能量，從而減少電磁波的干擾的一類材料。在工程應(yīng)用上，除要求吸波材料在較寬頻帶內(nèi)對電磁波具有高的吸收率外，還要求它具有質(zhì)量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等性能。

電磁輻射通過熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)、累積效應(yīng)對人體造成直接和間接的傷害。研究證實，鐵氧體吸波材料性能最佳，它具有吸收頻段高、吸收率高、匹配厚度薄等特點。將這種材料應(yīng)用于電子設(shè)備中可吸收泄露的電磁輻射，能達到消除電磁干擾的目的。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中從低磁導向高磁導方向傳播的規(guī)律，利用高磁導率鐵氧體引導電磁波，通過共振，大量吸收電磁波的輻射能量，再通過耦合把電磁波的能量轉(zhuǎn)變成熱能。

如果按吸波材料的損耗機制分類，可以分三種，（1）電阻型損耗，此類吸收機制和材料的導電率有關(guān)的電阻性損耗，即導電率越大，載流子引起的宏觀電流（包括電場變化引起的電流以及磁場變化引起的渦流）越大，從而有利于電磁能轉(zhuǎn)化成為熱能。（2）電介質(zhì)損耗，它是一類和電極有關(guān)的介質(zhì)損耗吸收機制，即通過介質(zhì)反復(fù)極化產(chǎn)生的“摩擦”作用將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉。電介質(zhì)極化過程包括：電子云位移極化，極性介質(zhì)電矩轉(zhuǎn)向極化，電鐵體電疇轉(zhuǎn)向極化以及壁位移等。（3）磁損耗，此類吸收機制是一類和鐵磁性介質(zhì)的動態(tài)磁化過程有關(guān)的磁損耗，此類損耗可以細化為：磁滯損耗，旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效效應(yīng)等，其主要來源是和磁滯機制相似的磁疇轉(zhuǎn)向、磁疇壁位移以及磁疇自然共振等。此外，最新的納米材料微波損耗機制是如今吸波材料分析的一大熱點。

吸波材料在設(shè)計時，要考慮兩個問題，1）、電磁波遭遇吸波材料表面時，盡可能完全穿過表面，減少反射；2）、在電磁波進入到吸波材料內(nèi)部時，要使電磁波的能量盡量損耗掉。

這里簡單介紹下實際應(yīng)用，在飛機、導彈、坦克、艦艇、倉庫等各種武器裝備和軍事設(shè)施上面涂復(fù)吸收材料，就可以吸收偵察電波、衰減反射信號，從而突破敵方雷達的防區(qū)，這是反雷達偵察的一種有力手段，減少武器系統(tǒng)遭受紅外制導導彈和激光武器襲擊的一種方法。另外，由于高功率雷達、通信機、微波加熱等設(shè)備的應(yīng)用，防止電磁輻射或泄漏、保護操作人員的身體健康是一個全新而復(fù)雜的課題，吸收材料就可達到這一目的。另外，如今的家用電器普遍存在電磁輻射問題，通過合理使用吸收材料及其元器件也可有效地加以抑制。

基于電磁波（EMW）信息傳輸?shù)脑O(shè)備和系統(tǒng)不斷刷新著社會和技術(shù)的發(fā)展。然而，產(chǎn)生的EMW干擾/輻射已經(jīng)嚴重威脅到軍事安全和人類健康。因此，開發(fā)了不同的電磁波吸收（EMA）材料（例如，碳材料、金屬氧化物、鐵氧體及其混合物）來解決該問題。由于傳統(tǒng)的單組分電介質(zhì)或鐵氧體難以同時滿足良好的阻抗匹配和強衰減的特性，具有巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計的多組分混合物已經(jīng)逐漸成為未來高性能EMA材料的主流。

研究成果

對于在薄樣品厚度和低填充水平下具有強吸收和寬有效吸收帶寬（EAB）的先進電磁波吸收材料來說，巧妙的微結(jié)構(gòu)設(shè)計和合適的多組分策略仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，鄭州大學劉春太教授、馮躍戰(zhàn)課題組和北京化工大學張好斌教授課題組通過定向冷凍法和肼蒸汽還原法構(gòu)建了錨定有磁性鎳納米鏈的三維（3D）介電Ti3C2Tx MXene/還原氧化石墨烯（RGO）氣凝膠（NiMR-H）。定向單元結(jié)構(gòu)和異質(zhì)介電/磁界面通過形成完美的阻抗匹配、多極化和電/磁耦合效應(yīng)而有利于優(yōu)異的吸波性能。值得注意的是，所制備的超輕鎳/MXene/RGO氣凝膠（密度僅為6.45mg cm-3）在已報道的MXene基吸收材料中呈現(xiàn)了最佳的EMA性能，具有-75.2 dB （即99.999996% 電磁波吸收率）的最小反射損耗RL值和7.3 GHz的有效吸收頻帶。此外，優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械性能，以及高疏水性和隔熱性能（接近空氣），保證了NiMR-H氣凝膠穩(wěn)定和持久的EMA應(yīng)用，以抵抗變形、水或潮濕環(huán)境以及高溫攻擊，堪稱全能材料！相關(guān)研究工作以“Multifunctional Magnetic Ti3C2Tx MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”為題發(fā)表在納米材料頂級期刊《ACS Nano》上。

圖文速遞

圖1. NiMR-H氣凝膠的制備示意圖及其結(jié)構(gòu)表征

圖2. （a） NiMG、（b） NiMR-A和（c） NiMR-H氣凝膠的三維RL-f曲線。（d）NiMR-H氣凝膠在平行方向、垂直方向和無序狀態(tài)下的EMA性能比較，以及（e） NiMR-H氣凝膠在不同MXene/GO比下的EMA性能比較

通過單向冷凍法和溫和的肼蒸汽還原/改性過程組裝氧化石墨烯、Ti3C2Tx和鎳納米鏈，合成了介電/磁性多組分鎳/MXene/RGO氣凝膠（NiMR-H）。通過結(jié)合微觀介電/磁性多組分和宏觀3D互連陣列蜂窩結(jié)構(gòu)，以及適度的還原和氮原子摻雜改性，超輕NiMR-H氣凝膠（6.45 mg·cm-3）可以實現(xiàn)-75.2 dB的超低頻和7.3 GHz的最大EAB的高EMA性能。在這篇文章中，突出了NiMR-H氣凝膠的以下優(yōu)點：（1）氣凝膠的堅固的宏觀多孔結(jié)構(gòu)可以避免傳統(tǒng)微/納米單元的團聚問題，從而在支撐基質(zhì)中以超低負載（0.64 wt%）獲得高EMA性能；（二）互連陣列結(jié)構(gòu)、溫和的肼蒸汽還原/改性、多個異質(zhì)界面和電介質(zhì)/磁性協(xié)同效應(yīng)的集成導致了迄今為止所報道的基于MXene的吸收材料的最佳EMA性能；（3）疏水性、彈性、隔熱性和不燃性與突出的吸波能力相結(jié)合，表明NiMR-H氣凝膠在各種應(yīng)用環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景，如具有極寒和極熱轉(zhuǎn)變的外層空間。

圖3 電磁波吸收機理分析

作者對吸波機理進行了分析，在宏觀層面上（圖3g），溫和的肼蒸汽還原和規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)導致的優(yōu)異的阻抗匹配誘導更多的電磁輻射進入氣凝膠，而不是從表面反射。然后，入射電磁輻射被單元空間中的3D電/磁耦合網(wǎng)絡(luò)捕獲和衰減，這被內(nèi)部多重散射進一步增強。在微觀層面上（圖3h），協(xié)同損耗在NiMR-H氣凝膠的吸收衰減機制中起著主要作用。典型地，在由MXene、鎳納米鏈和RGO組成的材料結(jié)構(gòu)中，電磁輻射在協(xié)同介電損耗（多個異質(zhì)界面極化、偶極極化和傳導損耗）和磁損耗（磁共振、磁耦合效應(yīng)、渦流損耗等）下可以逐漸耗盡。

圖4水滴在NiMR-H氣凝膠上的數(shù)碼照片。NiMR-H氣凝膠對各種有機液體的吸收能力（插圖顯示了被蘇丹紅三號染色的己烷的吸收過程）。發(fā)泡聚苯乙烯、高密度/低密度聚氨酯泡沫和NiMR-H氣凝膠的熱導率。通過酒精燈加熱的NiMR-H氣凝膠的紅外熱像和測試點的相應(yīng)溫度-時間曲線。NiMR-H氣凝膠溫度變化的有限元模擬。NiMR-H氣凝膠在20%應(yīng)變下500次循環(huán)的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

結(jié)論與展望

在這項研究中，作者采用通用冰模板法結(jié)合肼蒸汽處理，在Ti3C2Tx MXene/RGO骨架上制備了鎳納米鏈支撐的三維定向單元結(jié)構(gòu)介電/磁性氣凝膠。孔結(jié)構(gòu)和肼蒸汽還原/改性賦予NiMR-H氣凝膠超低密度（6.45 mg·cm-3）、疏水性、絕熱性和不燃性，保證了氣凝膠在各種環(huán)境中的耐久性。這種介電/磁性納米鎳復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出超高的電磁波吸收性能，最低反射損耗值為-75.2 dB，最大EAB頻率為7.3 GHz。特別是，由于氣凝膠的超低密度，NiMR-H氣凝膠在載體基質(zhì)中的填料含量非常低，為0.64 wt%。借助電磁參數(shù)、電子全息技術(shù)和有限元模擬，NiMR-H氣凝膠的EMA機制可歸因于優(yōu)異的阻抗匹配、多重EMW散射和協(xié)同電磁損耗效應(yīng)的結(jié)合。此外，NiMR-H氣凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)于商用聚合物泡沫的隔熱性能（接近空氣）。這些特性支持了NiMR-H氣凝膠在航空航天、隱身武器、電磁防護等方面的潛在應(yīng)用。

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