一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶及其制备方法

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1.本发明属于电磁波吸收技术领域，尤其涉及一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶及其制备方法。

背景技术：

2.随着基于吉赫兹(ghz)到太赫兹(thz)多频段集成电磁波的无线通信技术(5g/6g)的蓬勃发展，电磁污染和信息安全已成为人们日常生活中不可避免的问题。为解决这一问题，研制兼容ghz和thz频段的吸波材料具有重要意义。但由于ghz和thz波段的损耗机理不同，单一材料体系难以实现均衡的多频段兼容吸收。在太赫兹波段，电磁波吸收的耗散机制主要是通过电子主导损耗实现。在这方面，二维过渡金属碳化物和氮化物(mxenes)，特别是ti3c2t
x mxene，由于其金属导电性(高达24000s cm-1
)和可加工性而备受关注。然而，ti3c2t
x
在ghz波段的吸收能力由于其不足的电磁波能量耗散而受到限制，其中缺乏的电磁波能量损耗主要包括介电损耗和磁损耗。因此，在ti3c2t
x
中引入多元电磁损耗机制，对于制备兼具thz和ghz电磁波吸收功能的吸波材料至关重要，使其在未来的吸波隐身领域具有良好的应用前景。
3.目前，广泛的研究集中在将ti3c2t
x
与磁性材料耦合，通过引入磁相调控的磁损耗，实现有效的微波吸收。虽然这种策略能够提高ghz吸收性能，但磁损耗的有效工作频率在100ghz以下。另一方面，在ti3c2t
x
中构建强共价键相互作用的异质结，可以增强界面电子耦合效应，提高介电耗散能力，从而提高ghz波段的吸收性能。例如，liu等报道了ti3c2t
x
@polypyrrole(ppy)异质结结构。在ghz频带范围内，3.6mm厚的ti3c2t
x
@ppy的最小反射损耗(rl)为-49.5db,同时在2.7mm厚度下的有效吸收带宽(eab)为6.5ghz，大大高于相同厚度的原始ti3c2t
x
的吸波性能。考虑到分子发生振-转能级跃迁处都处于太赫兹频段，推测共价键合ti3c2t
x
材料的介电弛豫能由异质界面上共价键合分子与太赫兹波相互作用控制，从而促进其在太赫兹频段的吸收性能。目前，关于设计共价键合ti3c2t
x
的异质界面结构实现ghz和thz波段的兼容吸收的文献报道却很少。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种多波段电磁吸收剂，通过单一吸收剂同时实现2～18ghz厘米波和1.06um激光的兼容吸收，并且制备方法简单、操作便捷、成本低廉，适用于大规模工业化生产。
5.本发明是这样实现的，一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶的制备方法包括：
6.1.共价键合mxene材料的合成
7.首先将max(ti3alc2)粉末为前驱体，采用mild方法刻蚀和超声获得mxene(ti3c2t
x
)纳米片的分散液；接着将5～100μl硅烷偶联剂(3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷，a-187)滴加到上述mxene分散液(5～20mg/ml)，在60～100℃下搅拌1-6小时，通过硅烷的烷氧基水解成基与mxene的ti相连的轻基发生置换作用形成ti-o-si共价键，得到共价键合
mxene混合液。
8.mild方法具体操作如下：首先将1g氟化锂lif逐渐添加到装在特氟龙容器中的20ml 9m盐酸hcl中，并持续搅拌10分钟，得到反应所需的蚀刻剂；然后将1g ti3alc2粉末用10分钟缓慢地添加到蚀刻剂中，将容器置于磁力搅拌中，让蚀刻反应在35℃下进行24小时；反应结束后将产物转移至50ml离心管，在3500rpm的转速下离心、水洗，直至上清液的ph接近中性；将离心至中性的沉淀重新分散在水中，氢气气氛下240w超声30min，随后在4000rpm的转速下离心1h后收集上清液，得到单片ti3c2t
x
溶液。
9.2.共价键合mxene三维多孔结构的构筑
10.将步骤1制备的混合液转移到玻璃器皿中，在-30℃～-70℃的环境下冷冻10～30min，通过冷冻干燥，制备多孔结构的气凝胶，形成共价键连接mxene片的多级层状孔壁结构，该气凝胶顶部为多孔蜂窝结构，孔径约为40μm，比较致密和均匀；此外，多孔结构的气凝胶密度低，为5mg/cm3，能被花蕊所支撑。
11.本发明的有益效果：
12.本发明的方法制备简单，成低廉，制备的三维多孔气凝胶具有超低的密度，可调孔隙结构，可压缩性，超宽频段的有效吸收等特点。通过控制不同共价键比例的mxene气凝胶实现不同频段电磁波吸收的自由设计。本发明制备的三维多孔共价键合mxene气凝胶可以实现微波、太赫兹波多频段的兼容吸收(rl＜-10db)。
附图说明
13.图1是实施例2中所制备三维多孔共价键合mxene气凝胶实物图与扫描电镜图；
14.图2是实施例1-2所制备的共价键合mxene三维多孔气凝胶的微波吸收性能；
15.图3实施例1-2所制备的共价键合mxene三维多孔气凝胶的太赫兹波吸收性能；
具体实施方式
16.下面结合具体实施例对本发明的技术解决方案作进一步说明。
17.实施例1：
18.(1)称取10mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加入5ml去离子水，超声(功率为1000w)2分钟得到2mg/ml的mxene分散液。
19.(2)在(1)mxene分散液中加入5μl的3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(a-187)，振荡1min。
20.(3)将(2)得到的mxene与硅烷偶联剂的均匀混合液转移到聚四氟乙烯试剂瓶中，置于60℃的油浴锅中反应1h。
21.(4)将(3)得到的溶液冷却至常温后，然后放入-30℃的环境中，单向冷冻10min，取出冰冻样品放入冷冻干燥设备中干燥24h，得到共价键合mxene三维多孔气凝胶(样品1)。经测定，所制备的气凝胶在微波频段(2～18ghz范围内)的最大反射损耗达到-21.6db，衰减达到-10db的有效带宽可达0.8ghz；所制备的气凝胶在太赫兹波段的平均反射损耗为11.8db，有效带宽为0.69thz。
22.实施例2：
23.(1)称取10mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加
入5ml去离子水，超声(功率为1000w)2分钟得到2mg/ml的mxene分散液。
24.(2)在(1)mxene分散液中加入15μl的3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(a-187)，振荡1min。
25.(3)将(2)得到的mxene与硅烷偶联剂的均匀混合液转移到聚四氟乙烯试剂瓶中，置于100℃的油浴锅中反应1h。
26.(4)将(3)得到的溶液冷却至常温后，然后放入-50℃的环境中，单向冷冻20min，取出冰冻样品放入冷冻干燥设备中干燥24h，得到共价键合mxene三维多孔气凝胶(样品2)。经测定，所制备的气凝胶在微波频段(2～18ghz范围内)的最大反射损耗达到-39.5db，衰减达到-10db的有效带宽可达6.0ghz；所制备的气凝胶在太赫兹波段的平均反射损耗为24.5db，有效带宽为1.2thz。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

技术特征：

1.一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶，其特征在于：该气凝胶顶部为多孔蜂窝结构，孔径为40μm，较致密和均匀；多孔结构的气凝胶密度低，为5mg/cm3。2.根据权利要求1所述的一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：s1、共价键合mxene材料的合成s11、将max相陶瓷粉末ti3alc2作为前驱体，采用mild方法刻蚀和超声获得ti3c2t
x mxene纳米片的分散液；s12、将5～100μl硅烷偶联剂3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷a-187滴加到5～20mg/ml上述mxene分散液，在60～100℃下搅拌1-6小时，通过硅烷的烷氧基水解成基于mxene的ti相连的轻基发生置换作用形成ti-o-si共价键，得到共价键合mxene混合液；s2、共价键合mxene三维多孔结构的构筑将共价键合mxene混合液转移到玻璃器皿中，在-30℃～-70℃的环境下冷冻10～30min，通过冷冻干燥，制备多孔结构的气凝胶，形成共价键连接mxene片的多级层状孔壁结构。3.根据权利要求2所述的一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s11中mild方法具体操作如下：首先将1g氟化锂lif逐渐添加到装在特氟龙容器中的20ml 9m盐酸hcl中，并持续搅拌10分钟，得到反应所需的蚀刻剂；然后将1g ti3alc2粉末用10分钟缓慢地添加到蚀刻剂中，将容器置于磁力搅拌中，让蚀刻反应在35℃下进行24小时；反应结束后将产物转移至50ml离心管，在3500rpm的转速下离心、水洗，直至上清液的ph接近中性；将离心至中性的沉淀重新分散在水中，氢气气氛下240w超声30min，随后在4000rpm的转速下离心1h后收集上清液，得到单片ti3c2t
x
溶液。

技术总结

本发明公开了一种微波/太赫兹波兼容吸收气凝胶，通过共价键合MXene材料的合成，共价键合MXene三维多孔结构的构筑制备的三维多孔气凝胶具有超低的密度，可调孔隙结构，可压缩性，超宽频段的有效吸收等特点；通过控制不同共价键比例的MXene气凝胶实现不同频段电磁波吸收的自由设计。本发明制备的三维多孔共价键合MXene气凝胶可以实现微波、太赫兹波多频段的兼容吸收(RL＜-10dB)。10dB)。10dB)。