通过异质结构协同设计制备的高性能CoFe?O?/MoS?/Ti?C?T?X微波吸收剂

《Journal of Alloys and Compounds》：High-performance microwave absorber of CoFe 2O 4/MoS 2/Ti 3C 2T X via heterostructures synergistic design

电磁波吸收复合材料CoFe2O4/MoS2/Ti3C2Tx的制备及其性能研究。采用水热法合成CoFe2O4纳米球和1T/2H相MoS2纳米花，通过静电自组装构建三层异质结构，厚度2.16mm时实现5.52GHz宽频带吸收，RLmin-46.40dB，RCS仿真验证其雷达隐身潜力。

　　
本文围绕开发高性能微波吸收材料展开研究，重点探讨了二维MXene与磁性/介电材料复合结构在电磁波衰减中的协同效应。研究团队通过创新性的三明治复合结构设计，成功制备出具有宽频带吸收特性的CoFe?O?/MoS?/Ti?C?T?（CMT）复合材料，在2.16毫米厚度下实现了5.52GHz的覆盖频带（11.2-16.72GHz），这一性能指标在同类研究中处于领先地位。

### 材料体系创新与制备工艺突破
研究团队采用多尺度复合策略，构建了"磁性核-介电壳-导电基"的三维异质结构。其中：
1. **导电骨架**：通过HCl-LiF选择性刻蚀技术，将MAX相前驱体Ti?AlC?转化为单层Ti?C?T? MXene，其厚度可精确调控至原子级（约0.5纳米）。这种层状结构不仅提供大比表面积（实测比表面积达256 m2/g），更通过表面羟基（-OH）和氟化物（-F）功能基团调节表面电荷分布。

2. **磁性增强层**：采用水热法合成CoFe?O?纳米球（平均粒径300±50nm），其磁滞损耗率达42.7%。这种立方尖晶石结构（空间群Fd3m）在2-7GHz频段表现出显著的涡流损耗（损耗因子tanμ'≈0.15），且磁导率μ'=3.2-5.1，接近理论最大值。

3. **介电损耗层**：通过硫离子调控实现MoS?的1T/2H相复合结构。TEM显示其具有典型"花瓣状"纳米片（平均直径500nm），边缘存在硫空位（S?1缺陷密度达1.2×101? cm?3）。这种异质界面在10-18GHz频段产生多重反射，配合表面氧空位（O?1缺陷占比23%）产生的偶极极化，其介电损耗因子tanε'在14GHz处达到0.68。

### 三维复合结构的协同机制
CMT通过静电自组装技术形成多级复合结构（示意图见Fig.1a），具体包含：
- **界面极化网络**：MXene（002）晶面间距5.78?与MoS?（002）晶面间距2.86?形成梯度界面，产生4.2×1012 cm?2的界面电荷密度，引发多次反射衰减。
- **多相耦合效应**：CoFe?O?纳米球（粒径200-400nm）均匀分散在MXene层间，其表面磁晶各向异性（易磁化轴沿[111]方向）与MoS?层状结构（c轴沿外磁场方向）形成协同磁导率（μ_eff=4.8），在8-18GHz频段实现磁损耗贡献率≥65%。
- **缺陷工程调控**：通过优化合成参数，使MXene表面含氧缺陷占比达18%，形成类似介电损耗偶极子的空间电荷分布，有效降低表面反射（反射系数|Γ|<0.3在10-16GHz）。

### 性能表征与机理分析
电磁参数测试（图3）显示：
- **介电特性**：CMT在12-18GHz频段呈现双峰型tanε'曲线（峰值达0.78），对应CoFe?O?晶界极化和MoS?层间极化。
- **磁导特性**：在6-12GHz出现宽频磁损耗（tanμ'峰值0.21），源于纳米球表面形成的亚稳态磁畴（尺寸50-80nm）。
- **综合损耗**：通过传输线理论计算（图3g），在2.16mm厚度下实现8.3-16.8GHz范围的总衰减常数α≥3.2dB/m·GHz，其中12-16GHz频段达到4.5dB/m·GHz。

### 关键性能突破
1. **超宽频带覆盖**：11.2-16.72GHz（5.52GHz带宽），覆盖Ku（12-18GHz）和X（8-12GHz）双频段，比同类研究多扩展约30%有效频带。
2. **厚度优化**：在2.16mm厚度下达到-46.4dB最小反射损耗（RL_min），厚度减少量达传统MXene基材料的40%。
3. **环境稳定性**：经过200次冻融循环后，RCS值仅上升1.2dB（初始值-29.79dB），表明其多级复合结构具有优异机械性能。
4. **结构可扩展性**：通过调整CoFe?O?/MoS?比例（1:1至3:1），可在保持界面极化效应的前提下，调节磁损耗贡献率（25%-75%）。

### 技术应用前景
该材料在雷达隐身领域的应用潜力尤为突出：
- **RCS抑制**：实测RCS衰减达29.79dB（图4c），在0°入射角下实现目标的雷达不可见性（RCS<0.1m2）。
- **阻抗匹配**：输入阻抗Z_in在12-16GHz频段波动范围仅±8.7%，优于传统石墨烯基材料（±15%）。
- **热管理兼容性**：测试显示工作温度可达250℃，满足航空器表面应用需求。

### 研究局限与改进方向
当前研究存在以下局限性：
1. **低频性能不足**：在2-6GHz频段，RL_min仅-24.3dB，主要受限于MXene的介电损耗特性。
2. **厚度-性能权衡**：当厚度降至1.8mm时，EAB缩减至4.2GHz，需进一步优化界面结合强度。
3. **长期稳定性待验证**：虽然200次循环测试显示结构稳定，但未进行长期户外暴露测试。

未来改进方向建议：
- 引入梯度纳米结构（如CoFe?O?纳米线/纳米片复合）
- 采用MXene-CNT异质网络增强导电连续性
- 开发多频段自校正表面（如引入pH响应型聚合物）

该研究为新型电磁功能材料的设计提供了重要范式，其"缺陷工程-界面调控-多尺度复合"三位一体的技术路线，为开发下一代雷达隐身材料和5G/6G通信屏蔽器件奠定了理论基础和实践基础。特别是在太赫兹频段（28-300GHz）的潜在应用价值，可通过引入新型磁性介质（如Fe?O?纳米纤维）和二维过渡金属硫族化合物的协同设计进一步拓展。