基于介电调控与阻抗匹配优化实现宽带电磁波吸收的Ti3C2Tx MXene/Y2O3/C复合材料

《Journal of Alloys and Compounds》：Ti 3C 2T x MXene/Y 2O 3/C composites for broadband EMW absorption through dielectric regulation and impedance matching optimization

　　

摘要：平衡介电损耗与阻抗匹配对于开发高效的基于MXene的电磁波吸收材料至关重要，因为过度发展的导电网络可能会恶化阻抗匹配并阻碍电磁波的渗透。本文通过原位溶剂热组装随后进行热解，制备了Ti3C2Tx MXene/Y2O3/C复合材料。通过增加Ti3C2Tx MXene的投料比例，系统地调节了复合材料的介电响应和阻抗匹配行为。结构分析证实了晶态Y2O3、碳质域以及具有介孔特征的MXene基异质结构的形成。复合材料表现出成分依赖且非单调的吸收行为。MY-3（名义MXene与 precursors 投料比为2:5）复合材料表现出最强的吸收强度，最小反射损耗为?49.4 dB；而MY-4（名义MXene与 precursors 投料比为1:2）复合材料实现了最宽的有效吸收带宽，为7.2 GHz。吸收性能的增强归因于调节后的导电网络、MXene/Y2O3/C异质界面处的界面极化、来自极性键和含氧基团的偶极极化以及改进的阻抗匹配。雷达截面模拟进一步验证了优化涂层的散射抑制能力。本工作表明，Y2O3/C辅助的介电调节是提高基于MXene的介电吸收材料宽带吸收的有效策略。

引言：无线通信系统、高频电子设备和雷达探测技术的快速发展加剧了复杂服役环境中的电磁污染[1]、[2]、[3]、[4]。电磁波吸收材料需要通过将电磁能转化为热能或其他耗散形式来衰减入射电磁波。对于实际应用，高效的吸收材料应同时表现出强反射损耗、宽带有效吸收带宽、低密度、薄匹配厚度以及低填料用量[5]、[6]。由于电磁波吸收受衰减能力和阻抗匹配的共同制约，这些要求在单一材料体系内仍难以同时满足。过大的衰减而无合适的阻抗匹配会导致强烈的表面反射，而有利的阻抗匹配但缺乏足够的内部损耗则会导致能量耗散微弱。因此，吸收材料设计的关键挑战在于平衡电磁波的渗透与内部衰减。

介电损耗型吸收材料因其低密度、成分可调性以及灵活的结构设计而在电磁波吸收领域受到广泛关注[7]。其衰减能力主要源于偶极极化、界面极化、缺陷诱导极化以及导电损耗。特别是，弛豫可以通过交变电磁场下延迟的偶极或电荷响应来耗散电磁能，而导电损耗则通过沿导电路径的电子迁移和电阻耗散将电磁能转化为热[8]。然而，仅仅增加介电损耗并不能实现高效吸收。过大的介电常数或过度增强的导电网络可能会引起阻抗失配，从而限制电磁波渗透并削弱内部能量耗散。因此，合理调节介电响应和阻抗匹配对于设计高性能介电吸收材料至关重要。

在介电损耗型吸收材料中，Ti3C2Tx MXene因其层状结构、高电导率、可调的表面终止基团和丰富的表面缺陷而作为电磁波吸收的二维导电平台引起了广泛关注[9]、[10]。这些特征有利于构建电子传输通路并产生极化损耗。然而，原始或过量MXene的高电导率也是其主要限制[11]、[12]、[13]。单一组分MXene或富含MXene的吸收材料倾向于表现出高介电常数和严重的阻抗失配，这阻碍了入射电磁波进入吸收材料内部，降低了有效的内部能量耗散。近期的研究通过调节MXene的电响应来解决这一问题[14]、[15]、[16]。例如，已报道通过终端基团调节对Ti3C2Tx MXene进行表面工程，以限制过度的电子电导率，从而改善阻抗匹配和吸收性能。Cl终止的MXene也通过介电常数调节和表面偶极调节表现出增强的吸收能力[17]、[18]。在另一案例中，将TiO2纳米片与Ti3C2Tx MXene耦合构建了2D/2D半导体/导电异质结构，其中TiO2组分调节了介电响应并有助于改善阻抗匹配[19]。这些研究表明，基于MXene的吸收材料需要电导率调节，而非简单地增强导电损耗。

除电导率调节外，界面工程是增强电磁波衰减的关键策略。异质界面可以在交变电磁场下诱导电荷积累，导致Maxwell-Wagner极化和介电弛豫[20]。在基于MXene的体系中，多相或多维界面已被用于增强极化损耗，同时保持合适的阻抗匹配。例如，已证明MOF-LDH-MXene吸收材料中的三元异质界面通过界面重构促进了极化损耗[21]。MXene@Co空心球通过增强空心异质界面处的界面极化实现了宽带吸收[22]。Ti3C2Tx/MoS2自卷曲棒基泡沫进一步表明，合理的几何界面构建可以在减少过度电子电导率的同时增强界面极化[23]。这些报道表明，界面极化不应被视为一般的描述符，而应通过刻意的相耦合构建，并与电磁参数相关联。

稀土氧化物为导电电磁波吸收材料中的介电调节提供了一条有前景的途径[24]、[25]。与高导电碳质或富含MXene的相相比，稀土氧化物通常具有低电导率和介电特性，可以抑制过度的导电网络并改善阻抗匹配。其缺陷化学、极性键合环境和局部电荷不平衡还可以在交变电磁场下提供极化中心。当稀土氧化物与导电基底耦合时，形成的异质界面有望调节介电常数、增强偶极极化和界面极化，并拓宽阻抗匹配范围[26]、[27]。近期稀土氧化物修饰的吸收材料已证实稀土组分可以调节介电响应、界面极化和电磁波耗散。因此，稀土氧化物不应仅被视为被动的介电稀释剂，而应作为导电复合吸收材料中的主动极化调节剂。

Y2O3近期作为电磁波吸收的高效介电组分而出现。其低电导率氧化物框架、稳定的化学结构以及偶极/界面极化特性使其适合调节导电吸收材料的电磁响应。特别是，Y2O3可以调节过度的导电路径，而极性键合环境和Y–O键合环境可以作为局部极化中心。当与碳或其他导电组分结合时，基于Y2O3的异质结构可以产生异质界面，促进电荷积累，并改善介电衰减与阻抗匹配之间的平衡。已报道MOF衍生花状Y2O3/C微球作为高效的介电吸收材料，其中Y2O3/C结构有助于介电调节、偶极/界面极化和界面极化[28]。最近，Y2O3/Fe/C微球通过基于Y2O3的介电调节和磁-介电耦合实现了宽带吸收，进一步确认了含Y2O3异质结构在吸收系统中的价值[29]。这些工作表明，稀土氧化物/碳相可以提供介电调节、偶极/界面极化和界面极化；然而，它们与高导电Ti3C2Tx MXene的耦合仍未得到充分探索。

基于这种考虑，构建Ti3C2Tx MXene/Y2O3/C复合材料是一种可行的策略，用于在一种吸收材料中整合导电网络调节、介电极化和界面工程。在这种结构中，同时构建了三种异质界面，包括Ti3C2Tx MXene/Y2O3、Ti3C2Tx MXene/C和Y2O3/C界面。Ti3C2Tx MXene/Y2O3界面在导电相和介电相之间提供电荷积累位点，而Ti3C2Tx MXene/C和Y2O3/C界面进一步有助于电子迁移调节和局部极化。这些异质界面有望在交变电磁场下诱导Maxwell-Wagner界面极化，从而增强介电衰减。在该体系中，Ti3C2Tx MXene作为二维导电骨架和界面平台，而Y2O3作为低电导率介电调节剂，调节MXene主导的电导率并贡献偶极/界面极化位点。有机配体衍生的碳相提供了富含缺陷的导电桥和额外的偶极极化中心，但其不应被视为主要的阻抗匹配组分。Y2O3/C域在MXene纳米片上的原位锚定有望抑制MXene重新堆叠，构建丰富的MXene/Y2O3/C异质界面，调节介电响应，并拓宽阻抗匹配窗口。然而，MXene/Y2O3比、导电网络演化、介电衰减、阻抗匹配与电磁波吸收行为之间的关系尚未得到系统阐明。

在本工作中，通过原位溶剂热组装策略随后进行热解处理，合理设计和合成了Ti3C2Tx MXene衍生的Y2O3/C复合材料。在合成过程中，含Y的前驱体域在MXene纳米片上组装，随后转化为与MXene衍生框架耦合的Y2O3/C域。通过调整MXene含量，构建了一系列成分可调节的复合材料，以研究结构调节与电磁波吸收行为之间的关系。本工作为在基于MXene的吸收材料中整合导电框架调节、介电组分调制和异质界面构建提供了一种策略，为设计轻质高效的电磁波吸收材料提供了见解。

材料：Ti3AlC2 MAX相粉末（400目）由吉林市怡亿科技有限公司提供。氟化锂（LiF，99.9%）、盐酸（HCl，36–38 wt.%）、2,5-二羟基对苯二甲酸（H4dhtp，98.0%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.0%）、硝酸钇六水合物（Y(NO3)3·6H2O，99.0%）和石蜡均购自阿拉丁试剂有限公司。无水乙醇（99.9%）购自西陇科学有限公司。电阻率高于10 MΩ cm的去离子水...

MXene/Y2O3/C复合材料的相组成与微观结构：图2(a)展示了Ti3C2Tx MXene/Y2O3/C复合材料的XRD图谱。所有复合材料在约29°、33°、48°和57°处均表现出明显的衍射峰，这些峰可归属于立方相Y2O3（PDF#01-088-2162）的(222)、(400)、(440)和(622)晶面[30]。未检测到对应于杂质相的额外衍射峰，表明含Y前驱体在热解过程中成功转化为晶态Y2O3。值得注意的是，未观察到特征衍射...

结论：通过选择性刻蚀、原位溶剂热组装和热解，成功合成了Ti3C2Tx MXene/Y2O3/C复合材料。所得复合材料整合了层状MXene、晶态Y2O3和碳质域，形成了具有介孔特征的导电-介电异质结构。通过调整Ti3C2Tx MXene投料比例，有效地调节了电磁波吸收性能。MY-3复合材料表现出最强的吸收强度，RLmin为...

CRediT作者贡献声明：Fangyu Gan：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Shengdong Cai：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Qingrong Yao：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，概念化。Lichun...

利益冲突声明：作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢：本工作得到了广西青年拔尖人才资助计划（GXYESS2025072）的支持。作者感谢广西八桂学者基金的支持。

Shengdong Cai | Fangyu Gan | Lichun Cheng | Qingrong Yao | Jiang Wang
桂林电子科技大学材料科学与工程学院 & 广西信息材料重点实验室，广西桂林541004，中国