顶刊启示：材料性能也加速内卷！综合性能不强，难登顶刊！

2021-05-21 15:57:05 作者：材料十来源：材料十分享至：

研究背景

随着现代科学技术的发展，特别是5G时代的来临，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。

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所谓吸波材料，指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。

电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实，铁氧体吸波材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于电子设备中可吸收泄露的电磁辐射，能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。

如果按吸波材料的损耗机制分类，可以分三种，（1）电阻型损耗，此类吸收机制和材料的导电率有关的电阻性损耗，即导电率越大，载流子引起的宏观电流（包括电场变化引起的电流以及磁场变化引起的涡流）越大，从而有利于电磁能转化成为热能。（2）电介质损耗，它是一类和电极有关的介质损耗吸收机制，即通过介质反复极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化成热能耗散掉。电介质极化过程包括：电子云位移极化，极性介质电矩转向极化，电铁体电畴转向极化以及壁位移等。（3）磁损耗，此类吸收机制是一类和铁磁性介质的动态磁化过程有关的磁损耗，此类损耗可以细化为：磁滞损耗，旋磁涡流、阻尼损耗以及磁后效效应等，其主要来源是和磁滞机制相似的磁畴转向、磁畴壁位移以及磁畴自然共振等。此外，最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点。

吸波材料在设计时，要考虑两个问题，1）、电磁波遭遇吸波材料表面时，尽可能完全穿过表面，减少反射；2）、在电磁波进入到吸波材料内部时，要使电磁波的能量尽量损耗掉。

这里简单介绍下实际应用，在飞机、导弹、坦克、舰艇、仓库等各种武器装备和军事设施上面涂复吸收材料，就可以吸收侦察电波、衰减反射信号，从而突破敌方雷达的防区，这是反雷达侦察的一种有力手段，减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器袭击的一种方法。另外，由于高功率雷达、通信机、微波加热等设备的应用，防止电磁辐射或泄漏、保护操作人员的身体健康是一个全新而复杂的课题，吸收材料就可达到这一目的。另外，如今的家用电器普遍存在电磁辐射问题，通过合理使用吸收材料及其元器件也可有效地加以抑制。

基于电磁波（EMW）信息传输的设备和系统不断刷新着社会和技术的发展。然而，产生的EMW干扰/辐射已经严重威胁到军事安全和人类健康。因此，开发了不同的电磁波吸收（EMA）材料（例如，碳材料、金属氧化物、铁氧体及其混合物）来解决该问题。由于传统的单组分电介质或铁氧体难以同时满足良好的阻抗匹配和强衰减的特性，具有巧妙结构设计的多组分混合物已经逐渐成为未来高性能EMA材料的主流。

研究成果

对于在薄样品厚度和低填充水平下具有强吸收和宽有效吸收带宽（EAB）的先进电磁波吸收材料来说，巧妙的微结构设计和合适的多组分策略仍然具有挑战性。在此，郑州大学刘春太教授、冯跃战课题组和北京化工大学张好斌教授课题组通过定向冷冻法和肼蒸汽还原法构建了锚定有磁性镍纳米链的三维（3D）介电Ti3C2Tx MXene/还原氧化石墨烯（RGO）气凝胶（NiMR-H）。定向单元结构和异质介电/磁界面通过形成完美的阻抗匹配、多极化和电/磁耦合效应而有利于优异的吸波性能。值得注意的是，所制备的超轻镍/MXene/RGO气凝胶（密度仅为6.45mg cm-3）在已报道的MXene基吸收材料中呈现了最佳的EMA性能，具有-75.2 dB （即99.999996% 电磁波吸收率）的最小反射损耗RL值和7.3 GHz的有效吸收频带。此外，优异的结构稳定性和机械性能，以及高疏水性和隔热性能（接近空气），保证了NiMR-H气凝胶稳定和持久的EMA应用，以抵抗变形、水或潮湿环境以及高温攻击，堪称全能材料！相关研究工作以“Multifunctional Magnetic Ti3C2Tx MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”为题发表在纳米材料顶级期刊《ACS Nano》上。

图文速递

图1. NiMR-H气凝胶的制备示意图及其结构表征

图2. （a） NiMG、（b） NiMR-A和（c） NiMR-H气凝胶的三维RL-f曲线。（d）NiMR-H气凝胶在平行方向、垂直方向和无序状态下的EMA性能比较，以及（e） NiMR-H气凝胶在不同MXene/GO比下的EMA性能比较

通过单向冷冻法和温和的肼蒸汽还原/改性过程组装氧化石墨烯、Ti3C2Tx和镍纳米链，合成了介电/磁性多组分镍/MXene/RGO气凝胶（NiMR-H）。通过结合微观介电/磁性多组分和宏观3D互连阵列蜂窝结构，以及适度的还原和氮原子掺杂改性，超轻NiMR-H气凝胶（6.45 mg·cm-3）可以实现-75.2 dB的超低频和7.3 GHz的最大EAB的高EMA性能。在这篇文章中，突出了NiMR-H气凝胶的以下优点：（1）气凝胶的坚固的宏观多孔结构可以避免传统微/纳米单元的团聚问题，从而在支撑基质中以超低负载（0.64 wt%）获得高EMA性能；（二）互连阵列结构、温和的肼蒸汽还原/改性、多个异质界面和电介质/磁性协同效应的集成导致了迄今为止所报道的基于MXene的吸收材料的最佳EMA性能；（3）疏水性、弹性、隔热性和不燃性与突出的吸波能力相结合，表明NiMR-H气凝胶在各种应用环境中具有广阔的应用前景，如具有极寒和极热转变的外层空间。

图3 电磁波吸收机理分析

作者对吸波机理进行了分析，在宏观层面上（图3g），温和的肼蒸汽还原和规则的多孔结构导致的优异的阻抗匹配诱导更多的电磁辐射进入气凝胶，而不是从表面反射。然后，入射电磁辐射被单元空间中的3D电/磁耦合网络捕获和衰减，这被内部多重散射进一步增强。在微观层面上（图3h），协同损耗在NiMR-H气凝胶的吸收衰减机制中起着主要作用。典型地，在由MXene、镍纳米链和RGO组成的材料结构中，电磁辐射在协同介电损耗（多个异质界面极化、偶极极化和传导损耗）和磁损耗（磁共振、磁耦合效应、涡流损耗等）下可以逐渐耗尽。

图4水滴在NiMR-H气凝胶上的数码照片。NiMR-H气凝胶对各种有机液体的吸收能力（插图显示了被苏丹红三号染色的己烷的吸收过程）。发泡聚苯乙烯、高密度/低密度聚氨酯泡沫和NiMR-H气凝胶的热导率。通过酒精灯加热的NiMR-H气凝胶的红外热像和测试点的相应温度-时间曲线。NiMR-H气凝胶温度变化的有限元模拟。NiMR-H气凝胶在20%应变下500次循环的循环压缩应力-应变曲线。

结论与展望

在这项研究中，作者采用通用冰模板法结合肼蒸汽处理，在Ti3C2Tx MXene/RGO骨架上制备了镍纳米链支撑的三维定向单元结构介电/磁性气凝胶。孔结构和肼蒸汽还原/改性赋予NiMR-H气凝胶超低密度（6.45 mg·cm-3）、疏水性、绝热性和不燃性，保证了气凝胶在各种环境中的耐久性。这种介电/磁性纳米镍复合气凝胶表现出超高的电磁波吸收性能，最低反射损耗值为-75.2 dB，最大EAB频率为7.3 GHz。特别是，由于气凝胶的超低密度，NiMR-H气凝胶在载体基质中的填料含量非常低，为0.64 wt%。借助电磁参数、电子全息技术和有限元模拟，NiMR-H气凝胶的EMA机制可归因于优异的阻抗匹配、多重EMW散射和协同电磁损耗效应的结合。此外，NiMR-H气凝胶还表现出优于商用聚合物泡沫的隔热性能（接近空气）。这些特性支持了NiMR-H气凝胶在航空航天、隐身武器、电磁防护等方面的潜在应用。

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