MoS2基磁性材料的水热制备及吸波性能研究

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微波吸收材料的开发一直是军事隐身和电磁污染防治领域的研究热点。近年来,随着人们对材料领域的开发,二维材料成为探索的“新世界”。MoS2作为一种典型的二维材料,在光电器件、储能材料、催化和传感器等方面都有广泛的应用。同时,MoS2可以作为一种新型的微波吸收剂,在吸波强度、质量等方面远远优于传统的吸波材料。但是本质而言,MoS2属于电损耗型吸波材料,高介电常数和低磁导率导致的阻抗不匹配是影响吸波性能的重要因素。因此向MoS2中引入磁性,使体系的相对磁导率和相对介电常数尽可能接近,是改善阻抗匹配的有效途径。为此,本文计划开展MoS2基磁性微波吸收剂的相关研究工作。通过元素掺杂改性和与磁性吸收剂复合两种方式,向MoS2吸收剂中引入磁性,以期获得同时满足“薄、轻、宽、强”要求的新型微波吸收剂。这项工作的开展对吸波理论的研究和吸波材料的开发都具有重要意义。本文的主要工作如下:(1)研究MoS2吸收剂的水热制备及工艺优化。考察水热反应温度、反应时间以及原料中钼源和硫源比例(钼硫比)对产物MoS2吸波性能的影响。结果表明,水热产物主要为MoS2纳米片堆积而成的花状结构。在反应温度为180℃、反应时间为18 h、钼硫比为1:3.5时,制备的MoS2吸波性能最佳:其最大反射损耗达到-55.78 dB,相应的匹配厚度为2.30 mm,有效带宽为5.17 GHz。值得注意的是,反应温度为180℃、反应时间为18 h、钼硫比为1:2.5时,制备的MoS2最大反射损耗虽然只有-27.11 dB,但是匹配厚度仅有1.75 mm,有效带宽>5.59 GHz,可以作为宽波段的轻质吸波材料。进一步对其吸波机理进行研究发现,除了电磁波的干涉相消外,缺陷偶极子极化等各种极化现象是MoS2展现优良电磁波损耗能力的主要原因。(2)研究过渡金属元素Ni掺杂MoS2磁性吸收剂的水热制备及吸波性能。在考察的低浓度掺杂范围内,产物中的Ni含量随着原料中Ni的投料量的增加而增大。同时,Ni元素掺杂可以提高MoS2的磁性,在掺杂量为3%时,产物的饱和磁矩可以达到0.93 emu·g-1。在考察的高浓度掺杂范围下,产物中出现了NiS2等杂质。Ni掺杂可以显著改善MoS2的吸波性能。其中,掺杂量为3%时,产物MoS2的综合表现最佳:匹配厚度为2.05 mm时,最大反射损耗为-58.08 dB,有效带宽达到5.32 GHz。其吸波性能改善的原因在于:Ni掺杂提升了MoS2的ε’’和μ′′,使得产物的电损耗能力和磁损耗能力同时得到加强,两方面的共同作用使得产物的吸波性能有了明显的提升。(3)研究核壳结构CIP@MoS2复合吸收剂的水热制备及吸波性能。本文分别采用阳离子型表面活性剂CTAB和高分子型表面活性剂PVP对CIP表面进行改性,均能获得核壳结构CIP@MoS2。其中PVP的加入可以明显改善产物的分散性。在考察的CIP:Mo范围内,CIP@MoS2复合吸收剂的μ’和μ’’较纯MoS2均得到提高,说明其磁损耗能力增强,获得了兼具电损耗和磁损耗的吸波材料。该实验对于新型吸波材料的性能调控和结构设计具有重要借鉴意义。进一步对复合产物的磁损耗机理进行研究发现,复合吸收剂的磁损耗主要来源于涡流效应和自然共振。
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