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青岛大学《Carbon》:多功能电磁波吸收碳纤维/Ti3C2TX具有超宽吸收带的MXene织物
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-09-05  点击数:151

  1成果简介


 

 

  为了使电子设备和航空航天设备具有有效的抗电磁干扰能力,并提高其在非常恶劣的电磁环境中的适应性,民用和军用领域迫切需要高性能的电磁波吸收材料。遗憾的是,由于对其成分混合和微观结构的调节不足,其有效吸波带宽仍不尽人意(小于 10 GHz)。本文,青岛大学吴广磊 教授团队在《Cabron》期刊发表名为“Multifunctional electromagnetic wave absorbing carbon fiber/Ti3C2TX MXene fabric with ultra-wide absorption band”的论文,研究通过采用纳米笼结构的 UiO-66 作为掺杂相,利用静电纺丝法制备了 MXene/ZrO2/掺钨碳 (MXene/ZrO2/W-C) 互穿纤维网。
  实验结果表明,掺杂相的引入和互穿网络的形成显著改善了阻抗匹配,使复合材料的吸收带宽达到 11.12 GHz,完成了 X 和 Ku 波段的覆盖。利用三维电磁场仿真模拟了 MXene/ZrO2/W-C 的雷达散射截面,由于其优异的隐身性能,它能够在表现出不同远场发射波段的雷达探测环境中产生相应的电磁响应。此外,MXene/ZrO2/W-C 还具有出色的疏水性、耐腐蚀性和耐温性。这些特性使其可用于制备复杂环境应用中的电磁波(EMW)吸收装置。值得注意的是,本研究的结果对于开发基于 MXene 的具有超宽吸收带的复合材料以及分析电磁波吸收机理非常有用。
  2图文导读 

 

  图1. MXene/ZrO2/W-C纤维的合成策略示意图。

 

  图2. a) Uio-66 的 SEM 图像和 b) 直径分布;c) 蚀刻 Uio-66 的 SEM 和 d) TEM 图像;e-g) MC、ZC 和 MZC 的 SEM 图像;h、i) MZWC 的 SEM 图像、j) 元素图谱图像、k) TEM 图像和 l) HRTEM 图像。

 

  图3. a) 所有样品的 XRD 图样、b) 拉曼光谱和 c) TGA 曲线;d-i) 制备样品的 XPS 高分辨率光谱;j) 氧空位对比。

 

  图4. a) MC、ZC、MZC 和 MZWC 的 RL、EAB 和相应的匹配厚度;b) MZWC 的 3D RL 图和 c) MZWC 的 2D 图;d) 2-4 mm 时制备样品的 EAB 与匹配厚度的关系;e) 2.0-3.8 mm 时 MZWC 的 EAB;f) EAB 和 RLmin 与以前的工作和本工作的比较。


 

 

  图5:a)介电常数的实部;b)介电常数的虚部;c)介质正切损耗;d)制备样品的计算电导率;e)MZWC 的 Cole-Cole 曲线;f)MZWC 的 vs 曲线;g)衰减系数曲线;h)MZWC 的 RL 与 1/4 波长之间的相关性。(i-l)MC、ZC MZC 和 MZWC 的阻抗匹配系数。

 

 

  图6:a) 三维 RCS 图;b) 极坐标系中的 RCS;c) -60° 至 60° 的 RSC 值;d) 远场雷达平面波入射示意图;e) MZCW-4 在 0°、10°、20°、30°、40°、50° 和 60°的 RCS 降低值比较。


 

 

  图7. MXene/ZrO2/W-C 纳米纤维膜的电磁波吸收机理示意图。
  3小结
  本文介绍了一种基于静电纺丝法构建多相掺杂纤维互穿网络的通用策略,成功解决了阻抗失配导致的电磁波吸收材料吸收带宽窄的问题。MXene纳米片和碳纳米纤维有利于构建导电网络,使复合材料在超宽频段范围内具有稳定的吸收性能。同时,多孔 ZrO2 的设计可以改善 MXene/ZrO2/W-C 的吸波性能,因为 MXene 的高电导率改善了阻抗失配并增强了界面极化,而 W 掺杂引起的氧空位和缺陷也增强了复合材料对电磁的系统响应。RCS 模拟仿真表明,我们的 MXene/ZrO2/W-C 在复杂的电磁环境中具有稳定的吸波性能,而且与传统的碳基复合材料项目相比,吸波频带范围更宽,应用更可靠。该复合材料还兼具良好的疏水性、耐腐蚀性和耐温性,可用于各种特定的实际应用场景。从长远角度看,MZWC超宽吸收带电磁波吸收材料的设计策略为面向电磁污染防治的多功能复合材料提供了理论指导。
  文献:

 

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