CN110283570B

CN110283570B - 一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110283570B
Application number: CN201910644641.3A
Authority: CN
Inventors: 贺君; 颜铄清; 邓永和; 陈桥
Original assignee: Hunan Institute of Engineering
Current assignee: Hunan Institute of Engineering
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110283570A

Abstract

一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料及其制备方法，该材料是由磁性FeCo纳米颗粒包覆片层状MXene形成的核壳结构，所述FeCo纳米颗粒与MXene的质量比为1:2~4；其中，MXene具有片层状微观结构，其表面富含官能团，可使FeCo包覆在MXene表面，形成介电‑磁性两相异质结的微观核壳结构，具备显著的介电极化损耗特征；同时，包覆在MXene表面的FeCo不仅具有高频自然共振效应和强磁损耗机制，而且平衡了复合材料的复介电频谱和复磁导率频谱间的差异，利于与空间阻抗的匹配，因此，该材料表现出宽频强电磁波吸收特性，反射率结果表明其优于‑10dB的频宽达8.8GHz。

Description

一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料及其制备方法。

背景技术

在军事领域，随着雷达探测技术迅速地发展，雷达隐身技术日益受到密切关注，采用吸波材料是实现雷达隐身的有效途径；在民用领域，无线通信技术的发展及对应产品的普及，给人民日常生活带来便利的同时，也产生了严重的电磁污染和电磁干扰问题，使用吸波材料是解决电磁干扰和电磁污染的有效手段。大量研究已经表明，高性能吸波材料应同时具有介电损耗、电导损耗和磁损耗等多重电磁波衰减机制。

MXene因具有二维层状微观结构、密度小、比表面积大和电导率大，是一种性能较好的介电型吸波材料。但单一的MXene相材料无磁损耗机制，吸波性能有限。CN 106750277A公开了一种MXene-聚苯胺复合吸波材料及其制备方法； CN 107660114 A公开了一种二硫化钼/MXene层状复合吸波材料的制备方法； CN 107645065 A公开了一种洋葱碳/MXene层状吸波复合材料的制备方法。以上均通过将MXene与其它吸波材料复合，在一定程度上提高了MXene的吸波性能。但复合的聚苯胺、二硫化钼以及洋葱碳仍是介电型吸波材料，无法使MXene引入磁损耗机制，因此，提高MXene吸波性能的程度有限。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料及其制备方法，该材料具备多重电磁波衰减机制，对入射电磁波表现出宽频强吸收特性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料，其是表面包覆磁性FeCo纳米颗粒的片层状MXene。

优选的，上述磁性FeCo纳米颗粒与片层状MXene的质量比为1:2~4。

本发明FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：将二价铁盐和二价钴盐和片层状MXene粉末均匀分散于醇类溶剂中形成混合液，然后依次加入还原剂和无机碱，调节pH值至11~13，搅拌分散形成反应液，将所述反应液转移至密闭容器，升温至120-180℃反应3-6h，反应完成后，冷却至室温，洗涤，干燥得到所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料。

优选的，所述二价铁盐选自硝酸亚铁、氯化亚铁和硫酸亚铁以及三者的水合物中的一种或多种。

优选的，所述二价钴盐选自硝酸钴、氯化钴和硫酸钴以及三者的水合物中的一种或多种。

优选的，所述还原剂为水合肼。更为优选的，所述水合肼与所述混合液中Fe²⁺的物质的量比为2~3:1。

优选的，所述片层状MXene粉末与所述二价钴盐被还原为单质钴的质量比为1~2:1。

优选的，所述混合液中，Fe²⁺和Co²⁺的物质的量比为0.8~1.2:1，所述Co²⁺的物质的量浓度为0.01~0.1mol/L，所述Co²⁺的物质的量浓度为0.02~0.04 mol/L。

优选的，所述醇类有机溶剂为乙醇和乙二醇中一种或两种。

优选的，所述碱为无机碱。

优选的，所述反应温度为160℃，更为优选的，所述反应时间为4h。

优选的，所述片层状MXene粉末的制备方法如下：将过渡金属碳化物MAX相粉末加入氢氟酸溶液中，超声辅助作用下搅拌反应12~24h，反应完成后，静置，除去上清液，洗涤沉淀，过滤，干燥得到片层状MXene粉末。

优选的，所述过渡金属碳化物MAX相粉末粒径为200目，其为Ti₃SiC₂或Ti₃AlC₂ 。

优选的，所述氢氟酸溶液的质量百分数为40%。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明提供的FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料中， MXene具有片层状微观结构，其表面富含官能团，可使FeCo包覆在MXene表面，形成介电-磁性两相异质结的微观核壳结构，进而具备显著的介电极化损耗特征；另，包覆在MXene表面的FeCo不仅具有高频自然共振效应和磁损耗机制，而且平衡了复合材料的复介电频谱和复磁导率频谱间的差异，利于与空间阻抗的匹配，因此，FeCo@MXene核壳结构材料表现出宽频强电磁波吸收特性，反射率结果表明其优于-10dB的频宽达8.8GHz；

（2）本发明提供的制备方法，工艺条件温和，生产成本低，有利于工业化生产。

附图说明

图 1是本发明实施例1中的片层状MXene的扫描电镜图；

图2是本发明实施例1制备的FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料的扫描电镜图；

图3是本发明实施例1所得FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料在2~18GHz频段的电磁参数图；

图4是本发明实施例1所得不同厚度的FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料在2~18GHz频段的吸波性能图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。

实施例 1

本实施例包括以下步骤：

(1) 称取5gTi₃SiC₂MAX相粉末，倒入盛有质量分数为40%氢氟酸溶液的500 mL聚四氟乙烯烧杯中，并在功率为40 W的超声辅助作用下以300 r/min转速磁力搅拌反应24 h；待反应结束后，将上述混合液静置2h后去除上清液，接着使用去离子水洗涤黑色沉淀物3次，再过滤并真空80℃干燥2 h后得到MXene粉末，测试粉末微观形貌如图1所示，可见，本发明制备的MXene呈现形貌均一的片层状微观结构。

(2) 分别称取2.3g CoCl₂•6H₂O和2.8g FeSO₄·7H₂O，并溶解于装有150 mL乙二醇溶剂的玻璃烧瓶中；加入步骤(1)获得的片层状MXene粉末，并以300 r/min转速磁力搅拌均匀分散2h形成混合液；向混合液中缓慢加入10mL浓度80%的水合肼溶液和NaOH化合物，调节其pH值至11，继续以400 r/min转速磁力搅拌分散1 h得反应液；将反应液转移到含聚四氟乙烯内衬的200mL反应釜中且密封，并放入鼓风干燥箱中以160℃温度反应4 h，使生成的磁性FeCo纳米颗粒包覆在片层状MXene的表面；最后将反应所得黑色沉淀物使用去离子水洗涤，真空80℃干燥1 h后，得到所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料，其测试的微观形貌如图2所示。通过对比图1与图2，可见，纳米FeCo颗粒成功被合成并均匀地包覆在片层状MXene表面，形成以FeCo颗粒为壳层和以MXene为核的核壳微观结构。

利用安捷伦型号为 N5230A的矢量网络分析仪测试了本发明实例1制备的FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料电磁参数（复介电常数和复磁导率），测试结果如图3所示。可知，FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料在2~18GHz频段内具有高复介电常数实部（ε' ）和虚部（ε"）值，表明其具备显著的介电极化损耗特性；另外，壳层磁性FeCo的存在使得复合材料获得了更高的复磁导率实部（μ' ）和虚部（μ" ）值，具备了强磁损耗能力。

根据传输线理论，基于测试的电磁参数，获得了不同厚度FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料的吸波性能，如图4所示，可见，随着材料厚度增加，吸收峰值往低频移动；当材料厚度为1.6mm时，优于-10dB（90%吸收）的频宽达8.8GHz。

实施例 2

本实施例包括以下步骤：

(1)称取6gTi₃AlC₂ MAX相粉末，倒入盛有浓度为40%氢氟酸溶液的500 mL聚四氟乙烯烧杯中，并在功率为60 W的超声辅助作用下以300 r/min转速磁力搅拌反应12 h；待反应结束后，将上述混合液静置2h后去除上清液，接着使用去离子水洗涤黑色沉淀物4次，再过滤并真空60℃干燥2 h后得到片层状MXene粉末；

(2) 分别称取4.5g CoSO₄•6H₂O和5.5g FeSO₄·7H₂O，并溶解于装有150 mL乙醇溶剂的玻璃烧瓶中，加入步骤(1)获得的片层状MXene粉末，并以250 r/min转速磁力搅拌均匀分散3h形成混合液；向混合溶液中缓慢加入20mL浓度80%的水合肼溶液和NaOH化合物，调节其pH至13，继续以500 r/min转速磁力搅拌分散1 h得反应液；将反应液转移到含聚四氟乙烯内衬的200mL反应釜中且密封，并放入鼓风干燥箱中以180℃温度反应3 h，使生成的磁性FeCo纳米颗粒包覆在片层状MXene的表面，最后将反应所得黑色沉淀物使用去离子水洗涤，真空50℃干燥2 h后，得到所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

(1)称取8gTi₃SiC₂ MAX相粉末，倒入盛有浓度为40%氢氟酸溶液的500 mL聚四氟乙烯烧杯中，并在功率为80 W的超声辅助作用下以400 r/min转速磁力搅拌反应18 h；待反应结束后，将上述混合液静置3h后去除上清液，接着使用去离子水洗涤黑色沉淀物5次，再过滤并真空60℃干燥3 h后得到MXene粉末。

(2) 分别称取11.2g Co(NO₃)₂•6H₂O和10.8g FeSO₄·7H₂O，并溶解于装有150 mL乙二醇溶剂的玻璃烧瓶中，加入步骤(1)获得的片层状MXene粉末，并以400 r/min转速磁力搅拌均匀分散2h的混合液；向混合溶液中缓慢加入25mL浓度80%的水合肼溶液和NaOH化合物，调节其pH至12，继续以400 r/min转速磁力搅拌分散2 h得反应液；将反应液转移到含聚四氟乙烯内衬的200mL反应釜中且密封，并放入鼓风干燥箱中以120℃温度反应6 h，使生成的磁性FeCo纳米颗粒包覆在片层状MXene的表面。最后将反应所得黑色沉淀物使用去离子水洗涤，真空60℃干燥2 h后，得到所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料。

Claims

1.一种FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料，其特征在于，所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料是表面包覆磁性FeCo纳米颗粒的片层状MXene；所述磁性FeCo纳米颗粒与片层状MXene的质量比为1:2~4；所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料的制备方法包括以下步骤：将二价铁盐、二价钴盐和片层状MXene粉末均匀分散与醇类溶剂中形成混合液，然后依次加入还原剂和无机碱，调节pH值至11~13，搅拌分散形成反应液，将所述反应液转移至密闭容器，升温至120-180℃反应3-6h，反应完成后，冷却至室温，洗涤，干燥得所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料。

2.权利要求1所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：将二价铁盐、二价钴盐和片层状MXene粉末均匀分散与醇类溶剂中形成混合液，然后依次加入还原剂和无机碱，调节pH值至11~13，搅拌分散形成反应液，将所述反应液转移至密闭容器，升温至120-180℃反应3-6h，反应完成后，冷却至室温，洗涤，干燥得所述FeCo@MXene核壳结构复合吸波材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述二价铁盐选自硝酸亚铁、氯化亚铁和硫酸亚铁以及三者的水合物中的一种或多种；或者，所述二价钴盐选自硝酸钴、氯化钴和硫酸钴以及三者的水合物中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为水合肼。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水合肼与所述混合液中Fe²⁺的物质的量比为2~3:1。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述片层状MXene粉末与所述二价钴盐被还原为单质钴的质量比为2~3:1。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述混合液中，Fe²⁺和Co²⁺的物质的量比为0.8~1.2:1，所述Co²⁺的物质的量浓度为0.01~0.1mol/L。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合液中，所述Co²⁺的物质的量浓度为0.02~0.04mol/L。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碱为无机碱；或者，所述醇类有机溶剂为乙醇和乙二醇中一种或两种；或者，所述反应温度为160℃；或者，所述反应时间为4h。

10.根据权利要求2-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述片层状MXene粉末的制备方法如下：将过渡金属碳化物MAX相粉末加入氢氟酸溶液中，超声辅助作用下搅拌反应12-24h，反应完成后，静置，除去上清液，洗涤沉淀，过滤，干燥得到片层状MXene粉末。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属碳化物MAX相粉末粒径为200目，其为Ti₃SiC₂或Ti₃AlC₂ ；所述氢氟酸溶液的质量百分数为40%。