镍锌铁氧体原位包覆MXenes复合材料的制备及吸波机理研究

According to the design concept of structure and function integration material, the electromagnetic wave “maze” will be established by the two-dimensional transition metal carbides (MXenes), which has the unique nano-multilayer structure in naturally, and then we develop a new microwave absorber materials of ferrite in situ coated MXenes hybrids. In the project, MXenes will be functionalized by the lignin sulfonic acid sodium salt. The ferrite-MXenes composites will be prepared by in situ chemical precipitation and hydrothermal processing. The crystal structure and microscopy structure of the composites will be investigate by XRD、SEM、HTEM and EDS, et al. Domain structure and domain wall motion in the composites with applied fields will be observed by in situ observations with Lorentz microscopy and electron holography, and we will investigate the influence of second phase (MXenes) and defect (grain boundary and pore) on the distribution of magnetic moments, and on the dynamical motion of domain wall of the composites during the magnetic reversal. The complex permeability, complex permittivity, hysteresis loops and temperature dependence of electrical conductivity of the composites will be comprehensive evaluated. We will focus on building the relationship between the microstructure and macroscopic electromagnetic performance, and reveal the electromagnetic loss mechanism of the ternary composites. After that, the investigation of electromagnetic loss mechanism and impedance matching law from materials microstructure designation will provide theoretical and experimental supports for the development of microwave absorber.

本项目根据结构与功能一体化的材料设计理念，利用二维过渡金属碳化物MXenes天然独特的多层纳米片状结构，构建电磁波“迷宫”，发展出Ferrite原位包覆MXenes这一新型吸波材料。采用双亲阴离子型表面活性剂木质素磺酸钠功能化MXenes表面，制备高体积浓度稳定分散的MXenes水溶液，并通过共沉淀水热法实现纳米镍锌铁氧体对MXenes的原位包覆，合成出Ferrite-MXenes复合材料。利用XRD、SEM、HTEM、EDS等手段分析Ferrite和MXenes界面的物相和显微结构特征，并采用洛伦兹电镜技术和电子全息技术，在微纳尺度下原位观察MXenes和缺陷结构（空位与晶界）对镍锌铁氧体磁畴翻转钉扎的影响，建立显微结构、磁畴结构与宏观电磁性能之间的构效关系，从而揭示该类新型材料电磁性能变化的微观结构诱因及吸波机理，为拓展其在吸波材料领域的应用提供实验和理论依据。

随着无线通信设备用量的急剧增加，电磁污染问题愈演愈烈。铁氧体作为最成熟的吸波材料之一，已经在抗电磁干扰天线等各类电子元器件中得到广泛的应用，但是其密度比较高，低温下转变为绝缘体，及其脆性问题限制了其在空间武器装备等特殊领域的应用。本项目根据结构与功能一体化的材料设计理念，利用二维过渡金属碳化物MXenes独特的多层纳米片状结构，构建电磁波“迷宫”，发展出Ferrite原位包覆MXenes和TiO2-Ti3C2Tx-Ni0.5Zn0.5Fe2O4新型吸波材料。采用双亲阴离子型表面活性剂木质素磺酸钠对MXenes表面功能化，制备出了高体积浓度稳定分散的MXenes水溶液，并通过共沉淀和水热法实现了纳米镍锌铁氧体对MXenes的原位包覆，合成出了Ti3C2Tx-Ni0.5Zn0.5Fe2O4和TiO2-Ti3C2Tx-Ni0.5Zn0.5Fe2O4复合材料。利用XRD、SEM、HTEM等手段，综合分析了Ferrite和MXenes界面的物相和显微结构特征，建立起了复合材料的显微结构与宏观电磁性能之间的构效关系，揭示了该类新型材料电磁性能变化的微观结构诱因及吸波机理，为拓展其在吸波材料领域的应用提供了实验和理论依据。研究结果表明，在厚度为1.5 mm时，TiO2-50 wt.% Ti3C2Tx-Ni0.5Zn0.5Fe2O4材料最小反射损耗值为-38.5 dB（12.7 GHz），其有效吸收带宽可达4.4 GHz (10.2-14.6 GHz)。复合材料的吸波机理主要包括磁损耗，介电损耗，电导损耗，界面损耗以及多重散射等机制。还探索了新型Ti3C2Tx-Ni以及G/TiC/Ti3C2复合吸波材料的制备与吸波性能研究，结果表明在厚度为2.1 mm时，30 wt.% Ti3C2Tx-Ni材料最小反射损耗值为-49.6 dB（10.7 GHz），其有效吸收带宽为3 GHz (9-12 GHz)。而G/TiC/Ti3C2表现出较高的介电损耗和吸波能力，G TiC/Ti3C2在X波段（8-12GHz）的最低反射系数可达-63 dB，有效吸波带宽可达3.5 GHz。G/TiC/Ti3C2吸波机理主要是在TiC/Ti3C2界面处形成了大量的纳米界面异质结，进而阻碍电荷在复合结构中的有效迁移,从而显著增强电磁波能量在该复合材料上的耗散。本项目开拓了MXenes作为吸波材料的新应用研究。