Ti3 C2 Tx MXene前驱体调控碳纳米纤维结晶性增强电磁波衰减性能

针对电磁干扰（EMW）吸收材料需兼顾阻抗匹配与衰减能力的难题，研究人员通过Ti3 C2 Tx MXene前驱体诱导Al2 O3 /TiO2 低温结晶（800°C），制备出非晶碳基体与晶相协同的碳纳米纤维。该材料反射损耗（RL）达-55.78 dB，有效吸收带宽（EAB）覆盖Ku波段（5.41 GHz），为轻量化电磁防护材料设计提供新策略。

　　

无线设备的普及让电磁波（EMW）如影随形，但随之而来的电磁污染却暗藏危机——设备故障、健康风险接踵而至。传统碳纳米纤维虽具轻质耐腐蚀优势，却因高导电性导致阻抗失配，犹如一面“电磁反射镜”，将大部分入射波拒之门外。更棘手的是，作为理想掺杂相的α-Al₂
O₃
需在1300°C以上结晶，高温却会诱发碳基体石墨化，进一步恶化阻抗匹配。如何打破这一“高温魔咒”，实现低温下晶相与非晶相的协同调控，成为电磁吸收材料领域的“卡脖子”难题。

湖北某高校团队在《Materials Today Nano》发表的研究给出了答案。他们创新性地采用Ti₃
C₂
T_x
MXene作为TiO₂
前驱体，通过静电纺丝技术制备Al₂
O₃
/TiO₂
共掺杂碳纳米纤维。MXene的层状结构在纺丝过程中定向排列，其表面-OH基团与Al³⁺
形成Al-O-Ti键，将Al₂
O₃
结晶温度从1400°C骤降至800°C。这一“低温结晶术”既保留了碳基体的非晶态（保障阻抗匹配），又通过高密度异质界面增强极化损耗，最终实现RL_min
-55.78 dB、EAB 5.41 GHz的卓越性能，几乎覆盖整个Ku波段（12.59–18 GHz）。

关键技术方法
研究采用静电纺丝技术制备纤维前驱体，以Al(NO₃
)₃
·9H₂
O、PVP和Ti₃
C₂
T_x
MXene为原料，经预氧化和Ar气氛热处理获得碳纳米纤维。通过调控MXene含量（0-5 wt%）和热处理温度（800-1400°C），利用XRD、SEM和矢量网络分析仪表征材料结晶性、形貌及电磁参数。

研究结果

1. 材料分析：SEM显示MXene的加入使纤维直径分布均匀（约200 nm），但表面粗糙度随含量增加而提升。XRD证实MXene衍生TiO₂
   在400°C即可结晶，为Al₂
   O₃
   异相成核提供“种子”。
2. 电磁性能：当MXene含量为1 wt%、800°C热处理时，材料在4.32 mm厚度下RL达-55.78 dB；1.67 mm厚度时EAB覆盖Ku波段，归因于非晶碳（阻抗匹配）与晶相Al₂
   O₃
   /TiO₂
   （极化损耗）的协同效应。
3. 机理阐释：MXene衍生的纳米TiO₂
   （<50 nm）通过Al-O-Ti键稳定Al₂
   O₃
   晶核，其高比表面积（200 m²
   /g）较传统TiO₂
   提升5倍，显著增加异相成核效率。

结论与意义
该研究突破性地利用MXene前驱体实现Al₂
O₃
低温结晶，解决了碳基材料阻抗匹配与衰减能力的矛盾。其创新点在于：① MXene的定向排列特性为高密度成核提供活性位点；② Al-O-Ti键降低界面能，使结晶温度降低500°C；③ 纳米TiO₂
的尺寸效应增强界面极化。这项成果不仅为轻量化电磁防护材料设计提供新范式，更启示了二维材料在低温烧结陶瓷领域的跨界应用潜力。