本研究报告旨在向学术界同仁介绍一项发表于《materials today physics》期刊第38卷（2023年）第101277页的研究。该项研究由郭征征（第一作者兼通讯作者）、罗培恩、宗泽、陈正燕、宋平、金艳玲、任芳和任鹏岗（通讯作者）共同完成。研究团队主要来自西安理工大学印刷包装工程与数字媒体技术学院，合作单位包括西安理工大学电气工程学院和四川大学航空航天学院及高分子科学与工程学院。研究于2023年11月7日在线发表。
本研究属于材料科学与物理交叉领域，具体聚焦于高性能电磁波吸收（Electromagnetic Wave, EMW）材料的设计与开发。随着智能电子设备的蓬勃发展和广泛应用，电磁辐射污染问题日益严重，不仅干扰精密电子设备的正常运行，也对人体健康构成潜在威胁。因此，开发具有强吸收、宽频带、低密度、薄厚度特性的高性能电磁波吸收材料迫在眉睫。MXene作为一种新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物，因其完美的层状结构、丰富的表面官能团和可调的化学性质，被视为极具潜力的电磁波吸收候选材料。然而，原始MXene的高金属电导率和非磁性特性导致了其电磁参数失衡、阻抗匹配不佳以及吸收能力较弱。此外，MXene层间强烈的范德华力易导致其重新堆叠团聚，进一步削弱其电磁波耗散能力。为解决这些问题，研究人员提出了构建多组分/多维杂化材料的策略，其中，将电损耗组分与磁损耗组分结合，通过电磁耦合效应改善阻抗匹配并增强吸收能力，已成为一种有效途径。钴铁氧体纳米颗粒因其在高频波段优异的磁性能而备受关注。本研究的主要目标是通过简便的溶剂热法，成功构建由二维MXene纳米片与零维钴铁氧体纳米颗粒组成的新型多异质结构杂化材料，并系统研究其电磁波吸收性能及机理，以期获得具有优异综合性能的电磁波吸收材料。
研究的详细工作流程可分为材料合成、结构表征、性能测试与机理分析及模拟验证四个主要部分。
第一部分是材料的合成。研究采用改良的温和层剥离法从Ti3AlC2粉末中剥离制备了MXene纳米片。随后，通过简单的溶剂热法合成了CoFe2O4@MXene杂化材料。具体过程如下：首先，将醋酸钠和聚乙二醇溶解在乙二醇中，通过磁力搅拌形成均匀溶液，醋酸钠作为静电稳定剂，聚乙二醇作为表面活性剂。接着，将预定量的六水合氯化钴、六水合氯化铁和MXene加入上述溶液，强力超声处理30分钟以获得均匀混合物。然后，将混合物转移至100毫升聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在180°C的烘箱内反应16小时。反应结束后，产物用去离子水反复清洗，并在-60°C下冷冻干燥48小时。为了研究电磁损耗比例对性能的影响，合成了不同CoFe2O4与MXene质量比的杂化材料，分别为1:9、3:7、5:5、7:3和9:1，并相应标记为CM1、CM2、CM3、CM4和CM5。同时，也制备了纯MXene和纯CoFe2O4作为对照样本。
第二部分是结构与形貌表征。研究采用了一系列先进的分析技术对所制备材料的晶体结构、化学组成、官能团、磁性以及微观形貌进行了全面表征。X射线衍射用于确定晶体结构，证实了CoFe2O4纳米颗粒成功锚定在MXene上，并且CoFe2O4的生长进一步扩大了MXene的层间距，有利于暴露更多的吸收位点。傅里叶变换红外光谱分析了材料的表面官能团，显示CM杂化材料具有出色的亲水性能，这有助于其在石蜡基体中的分散。振动样品磁强计测试了材料的磁滞回线，证实了所有CM杂化材料均表现出铁磁行为，饱和磁化强度随MXene含量的增加而降低，部分样品显示出超顺磁性，这有利于在快速变化的磁场中被驱动，从而产生磁损耗。X射线光电子能谱用于分析材料的表面化学状态和元素组成，全谱扫描和Fe 2p、Co 2p的高分辨谱均证实了MXene与CoFe2O4的成功复合。扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了材料的微观形貌。结果显示，纯MXene呈现典型的手风琴状多层结构，而纯CoFe2O4为球形纳米颗粒，但存在明显的团聚。对于CM杂化材料，随着CoFe2O4含量的增加，大量纳米颗粒牢固地生长在MXene的表面和层间，形成了丰富的电/磁异质界面，MXene的手风琴状结构有效防止了CoFe2O4的团聚。高分辨透射电镜图像观察到了CoFe2O4和MXene清晰的晶格条纹，选区电子衍射图则证实了CoFe2O4的多晶结构。能量色散X射线光谱的元素分布图直观地显示了Co、Fe、Ti元素在杂化材料中均匀分布。
第三部分是电磁参数测试与吸波性能机理分析。这是研究的核心环节，通过矢量网络分析仪测量了所有样品在2-18 GHz频率范围内的复介电常数和复磁导率。实部代表电磁能量的存储能力，虚部代表耗散能力。结果表明，纯MXene具有最高的介电常数实部和虚部，但过高的电导率导致阻抗匹配极差；纯CoFe2O4的介电损耗能力很弱。而CM杂化材料的电磁参数可以通过调节CoFe2O4的含量进行有效调控，其介电常数实部和虚部随CoFe2O4负载量的增加而单调下降，这归因于导电的MXene被引入的非导电/低导电CoFe2O4所稀释。在虚部曲线上观察到了明显的共振峰，这归因于丰富的异质界面和缺陷引发的多种极化弛豫机制。对介电损耗的进一步分析表明，其主要包括导电损耗和极化损耗。通过测试电导率并计算发现，在低频段导电损耗占主导，在高频段极化损耗为主要机制。同时，CoFe2O4的引入赋予了材料磁损耗，包括涡流效应、自然共振和交换共振。通过C0参数分析，证实了后两者在CM杂化材料的磁损耗中扮演重要角色。
基于测得的电磁参数，根据传输线理论，计算了不同厚度下各材料的反射损耗。反射损耗值小于-10 dB的频率范围被定义为有效吸收带宽。研究详细展示了各CM杂化材料的反射损耗曲线、三维图和二维等高线图。其中，CM3杂化材料在9.59 GHz处取得了最优的最小反射损耗值，低至-58.8 dB，匹配厚度仅为2.36毫米。CM4杂化材料则展现了最宽的有效吸收带宽，在2.03毫米的厚度下达到了6.3 GHz，覆盖了整个Ku波段。研究还通过四分之一波长匹配模型解释了吸收峰随厚度增加向低频移动的现象，并通过归一化阻抗匹配值验证了在最佳吸收点处实现了良好的阻抗匹配。此外，研究计算了衰减常数和阻抗匹配特征值，强调高性能电磁波吸收的实现需要优异的衰减能力与良好的阻抗匹配之间的有效平衡，而CM3杂化材料正具备了适中的衰减常数和接近1的阻抗匹配值。
第四部分是雷达散射截面模拟验证。为了评估CM杂化材料在实际远场条件下的吸波能力，研究通过CST仿真软件模拟了涂覆有CM杂化材料的完美电导体底板的雷达散射截面。结果表明，与未涂覆的完美电导体底板相比，涂覆CM杂化材料后，雷达散射信号强度显著降低。其中，涂覆CM3杂化材料的模型散射信号最弱，在-90°到90°的入射角范围内，其雷达散射截面值均低于-20 dBm²，在0°入射角时，雷达散射截面降低值高达34.2 dBm²。这直观地证明了CM3杂化材料具有优异的实际应用潜力，能够有效抑制电磁波散射。
研究取得了一系列重要结果。结构表征结果证实了通过溶剂热法成功合成了具有丰富异质界面的CM杂化材料，其中CoFe2O4纳米颗粒均匀锚定在手风琴状MXene的层间和表面。电磁性能测试结果表明，通过调节CoFe2O4与MXene的比例，可以有效地调控杂化材料的复介电常数，优化阻抗匹配，并引入额外的磁损耗和界面极化损耗。吸波性能结果显示，CM3杂化材料实现了优异的强吸收特性，而CM4杂化材料则展现了超宽的吸收频带。雷达散射截面模拟结果从工程应用角度有力支撑了材料的实用性。这些结果层层递进：成功的材料合成与结构设计是获得优异电磁性能的基础；可调的电磁参数是实现良好阻抗匹配和多种损耗机制协同作用的前提；而优异的阻抗匹配与强损耗能力的结合，最终导致了卓越的电磁波吸收性能。
本研究的结论可以概括为：通过简便的溶剂热策略，成功设计并合成了一种由二维MXene纳米片和零维CoFe2O4纳米颗粒组成的新型杂化材料。CoFe2O4纳米颗粒的引入不仅有效缓解了MXene因高电导率导致的阻抗失配，还带来了磁损耗和额外的界面极化损耗。MXene的手风琴状结构能够通过多重反射和散射延长电磁波传播路径，其丰富的缺陷和表面官能团可引发偶极极化。同时，堆叠的杂化材料可以形成互连的导电网络，促进导电损耗。这些优势协同作用，赋予所制备的CM杂化材料高效电磁波吸收性能。其中，CM3杂化材料在薄厚度下实现了优异的强吸收，CM4杂化材料则获得了覆盖整个Ku波段的超宽有效吸收带宽。雷达散射截面模拟直观证实了该材料在实际环境中的应用有效性。这项研究为通过结构设计和合理组分调整来开发高性能MXene基电磁波吸收材料提供了有价值的见解。
本研究的科学价值在于，它系统地展示了一种通过构建多维、多组分异质界面来协同优化材料阻抗匹配和电磁损耗能力的有效策略，深化了对MXene基复合材料电磁波吸收机理的理解，特别是对界面极化、电磁耦合效应的作用提供了实验依据。其应用价值在于，所开发的材料在民用电磁兼容和军事隐身技术等领域具有广阔的应用前景，为解决日益严重的电磁辐射污染问题提供了一种高性能的材料解决方案。
本研究的亮点在于：首先，研究提出并验证了通过“电/磁协同策略”构建CoFe2O4/MXene异质结构这一新颖思路，巧妙地利用了MXene的高电导损耗和CoFe2O4的磁损耗，并通过异质界面工程引入强烈的界面极化，实现了多种损耗机制的协同增效。其次，研究通过精细调控两组分的比例，实现了对材料电磁参数和吸波性能的“可调谐”设计，找到了性能最优的组成点。第三，研究不仅关注材料的基础吸波性能，还通过雷达散射截面仿真，从实际应用场景出发验证了材料的有效性，使研究成果更具说服力和实用价值。最后，整个研究工作从材料设计、合成、表征到性能测试与机理分析，再到模拟验证，形成了一个完整、严谨的闭环，逻辑清晰，数据详实，结论可靠。