低反射型电磁屏蔽MXene基纳米复合材料的制备及性能研究

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随着现代社会电子通信设备的普及,由此产生的电磁辐射已成为一种不容忽视的严重污染。二维过渡金属碳/氮化物(MXene)由于其独特的层状纳米结构、超高的导电性和良好溶液分散性在电磁屏蔽领域方面有巨大的潜力。然而,高导电电磁屏蔽材料也带来了以反射损耗为主的屏蔽性能,给环境带来严重的二次污染。因此,在兼顾优良导电性的同时,制备新型低反射、高吸收的电磁屏蔽材料势在必行。合理添加磁性填料等组成成分或者调整材料的结构设计,不仅有望制备高性能电磁屏蔽材料,而且还可以进一步减少二次电磁辐射污染。本论文利用一维(1D)磁性纳米材料与二维(2D)MXene纳米片表面基团间的强烈相互作用,通过定向冷冻的方法成功制备低密度三维(3D)多孔MXene基复合气凝胶。该材料不仅拥有以吸收为主导的屏蔽机制,而且具有优异的可压缩性、优良的隔热性能和红外隐身性能。另外,通过合理调整材料的结构设计,采用逐层组装的方法制备MXene基梯度复合薄膜。这种由阻抗匹配吸收层和高导电层组成的梯度层状结构在兼顾良好的电磁屏蔽能力的同时,还可以有效地减弱二次电磁波污染。主要研究内容如下:(1)通过定向冷冻的方法制备低反射型三维多孔MXene基复合气凝胶:首先,通过共沉淀法使Fe3O4较为均匀地包覆在酸化碳纳米管(a MWCNTs)上,制备Fe3O4@a MWCNTs(FC)磁性纳米粒子。然后利用一维磁性纳米颗粒FC与二维MXene纳米片相似的亲水性以及表面基团间的强烈相互作用,制备MXene/Fe3O4@a MWCNTs(MFC)气凝胶。低密度(约10 mg cm-3)MFC气凝胶仍然具有稳定的外形结构和很高的机械强度。通过对导电、介电和磁性成分含量的调整以及合理结构设计,其屏蔽性能在24.5~51.6 d B范围内可调。同时,该气凝胶的反射功率系数(R)可低至0.31,这意味着99.9%被屏蔽的电磁波中只有31%的电磁波会发生二次反射,远低于传统的MXene基电磁屏蔽材料。此外,该低反射电磁屏蔽气凝胶具有可压缩性、优良的隔热性能和红外隐身性能。该设计为制造轻质、柔性、低反射和多功能磁性MXene基复合气凝胶提供了可行的策略。(2)采用逐层组装的方法制备低反射型MXene基梯度复合薄膜:通过逐层组装的方法制备具有正导电性梯度和负磁性梯度的MXene/WPU/WPU@Fe3O4@a MWCNTs(M-W-F)梯度复合薄膜。改变磁性吸收层的层数以及高导电反射层的组分和含量,M-W-F梯度复合薄膜具有更好的阻抗匹配和更高的屏蔽效能。MXene基梯度复合薄膜在厚度仅为450μm时,其屏蔽效能可以达到48.6 d B,平均R值可降低至0.55。同时,R值达到一个非常低的峰值0.19,说明制备的MXene基梯度复合薄膜具有明显的高吸收、低反射特性。另外,综合讨论了该复合材料的多层梯度结构以及阻抗匹配层与高导电层之间对屏蔽性能的影响机理。当电磁波从磁性层入射时,微波可以更多地进入复合膜。进入薄膜内部的电磁波将被底部高导电层阻挡并反射回复合薄膜内部,然后通过薄膜界面之间的多次反射进一步衰减电磁波。
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