近年來，隨著先進(jìn)檢測技術(shù)的發(fā)展，高性能微波吸收材料由于在民用的隱身技術(shù)領(lǐng)域和軍事武器應(yīng)用越來越多，因此受到廣泛關(guān)注。理想的吸波材料應(yīng)具有強(qiáng)吸收性、寬吸收帶、低密度和薄厚度。然而，傳統(tǒng)的吸波材料（磁性金屬及其合金或氧化物）具有高密度和較厚涂層的缺點(diǎn)。目前，在薄厚度下具有優(yōu)異吸收性能的輕質(zhì)吸波材料的設(shè)計(jì)與制造已成為吸波材料最重要的研究方向之一。
二硫化鉬（MoS2）由三個原子層組成，即夾在兩個S層之間的金屬M(fèi)o層。這三層通過范德華相互作用堆疊并保持在一起，這種結(jié)構(gòu)類似于石墨。由于其特殊的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，MoS2已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括納米電子學(xué)、電催化、能量存儲設(shè)備等。由于Mo原子之間的二維（2D）電子-電子相關(guān)性將有助于增強(qiáng)平面電磁波傳輸性能，因此MoS2有望充當(dāng)出色的吸波功能材料，但純MoS2的吸波性能差，研究發(fā)現(xiàn)其與碳材料混合可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的電磁波吸收，但涂層厚度太大一直是個問題。
針對上述問題，四川大學(xué)王玉忠課題組報道了一種輕質(zhì)C摻雜MoS2氣凝膠的設(shè)計(jì)和制備方法，該氣凝膠具有特殊的香蕉葉狀微結(jié)構(gòu)，有優(yōu)異的吸波性能。氣凝膠前驅(qū)體首先通過海藻酸（Alg）和硫代鉬酸銨（ATM）之間的自組裝過程制備，其中Alg作為模板與ATM一起在定向冷凍過程中沿著冰的生長方向組裝成規(guī)則的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。在900°C下熱解后，摻C的MoS2氣凝膠保持低密度和多孔的層狀香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。摻C的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內(nèi)具有出色的微波吸收性能。最小反射損耗（RL）在5.4 GHz時達(dá)到-43 dB，匹配厚度為4 mm，有效微波吸收帶（RL <10 dB）在1.5 mm時達(dá)到4 GHz（14-18 GHz）。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于電子設(shè)備、催化和其他潛在應(yīng)用的MoS2氣凝膠納米結(jié)構(gòu)提供了借鑒。相關(guān)工作以“Banana Leaflike C-Doped MoS2 Aerogels toward Excellent Microwave Absorption Performance”為題發(fā)表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01841
在C摻雜的MoS2-0.5氣凝膠中存在一些針狀結(jié)構(gòu)，這可能是由于少量的Alg無法將所有ATM連接成香蕉葉狀結(jié)構(gòu)所致。當(dāng)Alg含量增加時，越來越多的ATM連接在一起并聚集成團(tuán)，而葉子變得越來越厚。摻雜C-MOS2-1.5氣凝膠，針狀結(jié)構(gòu)消失，小葉片組裝成香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。隨著Alg含量的增加，氣凝膠的葉子之間的間隙增加，而葉子變得更加細(xì)膩。可以清楚地觀察到氣凝膠的分層微觀結(jié)構(gòu)，會增加多重反射，這對于微波吸收是有利的。
當(dāng)混合Alg溶液和ATM溶液時，Alg中的-COO–和ATM中的-S––Mo–S –可以通過NH4 +連接，而Alg中的-OH和-S––Mo–S –可以連接。在ATM中可能會形成氫鍵。在定向冷凍期間，Alg/ATM可以沿著冰晶生長的方向組裝成規(guī)則的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。取出冰模板并停止熱解后，保留了定向的Alg/ATM。
由于納米MoS2粉末的介電常數(shù)低，因此在整個測試頻率范圍內(nèi)顯示出非常低的RL值。純碳?xì)饽z的RL也較低，這歸因于其阻抗匹配差。有趣的是，納米MoS2/碳?xì)饽z混合物仍顯示出弱吸收性，最小RL為-11 dB，表明僅將高介電常數(shù)的碳?xì)饽z和低介電常數(shù)的納米MoS2混合不能改善微波吸收性能。相比之下，摻C的MoS2-1.5氣凝膠在1.5–4 mm的厚度下顯示出出色的微波吸收性能。通過改變C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠樣品的厚度，在4.5–18 GHz的頻率范圍內(nèi)可以吸收超過90％的微波能量。在5.4 GHz處觀察到的最小RL為-44.3 dB，厚度為4 mm，而有效吸收帶寬在1.5 mm處的厚度約為4 GHz（14-18 GHz）。隨著涂層厚度的增加，由于四分之一波長衰減的形成需要樣品厚度和頻率滿足相位匹配這一事實(shí)，最小RL趨向于移至較低頻率。
該材料的吸波機(jī)理為：首先，氣凝膠的良好阻抗匹配可以減少表面反射，并使大多數(shù)電磁波進(jìn)入吸收材料內(nèi)部，這是強(qiáng)吸收微波的前提。其次，香蕉葉狀結(jié)構(gòu)中的摻雜碳使氣凝膠具有適度的導(dǎo)電性。當(dāng)微波進(jìn)入氣凝膠-石蠟復(fù)合材料時，電磁能可以使與空氣接觸的電子移動，沿著相連的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)形成快速的電子遷移路徑，然后移動到整個基底，并形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。第三，由于碳和MoS2基體之間的電導(dǎo)率不同，許多偶極對在它們的界面處積聚，從而產(chǎn)生界面極化。此外，香蕉葉的分層結(jié)構(gòu)可以提供大量的多個反射和散射位點(diǎn)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了微波衰減。氣凝膠中的缺陷也可能導(dǎo)致缺陷極化，含氧基團(tuán)和不完善的碳結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偶極極化。因此，電導(dǎo)損耗和極化損耗可以有效地將入射微波轉(zhuǎn)換為熱能并使其消散。
通過Alg和ATM之間的自組裝過程，制造了具有規(guī)則香蕉葉狀微結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)C摻雜MoS2氣凝膠。在所得的C摻雜的MoS2氣凝膠中，具有可控量的石墨化碳均勻地?fù)诫s在具有獨(dú)特層次結(jié)構(gòu)的結(jié)晶MoS2氣凝膠基質(zhì)中。香蕉葉狀碳摻雜的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)異的吸波性能，界面極化可以有效地將入射的微波能量轉(zhuǎn)換為熱能并消散微波。含30 wt% C摻雜MoS2-1.5氣凝膠，厚度為4 mm，有效吸波帶寬達(dá)到4 GHz，厚度僅為1.5 mm，RL最低值為-44.3 dB，優(yōu)于其他MoS2基材料。這種具有分層香蕉葉狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠的吸波機(jī)制主要來自適度的電導(dǎo)損耗、界面極化損耗、多次反射和良好的阻抗匹配。低密度、耐高溫和耐腐蝕的寬帶吸收材料是吸波材料的未來方向。這種摻有碳的MoS2氣凝膠結(jié)合了多孔的特殊規(guī)則微結(jié)構(gòu)，也有望用于電子、電化學(xué)、催化等其他應(yīng)用。此外，這項(xiàng)研究為高密度高效微波吸收材料的設(shè)計(jì)制備提供了新方法。
