博士生张亚君在梯度结构吸波材料设计方面取得进展
课题组博士生张亚君在国际期刊Small Science上以“Gradient multilayer design of Ti3C2Tx MXene nanocomposite for strong and broadband microwave absorption”为题发表学术论文，报道了多层梯度结构设计在增强电磁波吸收和拓展有效吸收带宽方面的显著作用，并提出了多层梯度结构的设计原则。
随着电子和通讯技术的迅速发展，电磁污染问题日益严峻，发展高效宽频的吸波材料成为解决这一问题的主要手段之一。MXene作为新型二维材料因其高电导率、高比表面积和丰富的极性官能团成为有潜力的吸波剂。然而，MXene与空气的阻抗失配使电磁波难以进入材料内部，吸波能力无法真正发挥。因此，改善MXene与空气的阻抗匹配成为首要目标。
图1. 三层梯度结构复合薄膜的制备流程示意图
图2. 相同厚度下三层梯度材料和各组分单层材料的反射损耗随频率的变化。
本文设计了一种三层梯度结构（如图1所示），其中Ti3C2Tx MXene在PVA基体中的浓度逐层递增。研究结果表明，通过优化各层介电常数和厚度，最低反射损耗可达-74.8 dB，同时，有效吸收带宽覆盖整个X波段（如图2所示）。此外，通过控制表层和底层的介电常数，改变中间层的介电常数，证明了当中间层介电常数接近表层和底层介电常数平均值时，反射损耗最低。中间层介电常数减小，最优厚度减小。这些规律为合理设计梯度吸波材料提供了基本原则。
图3. 三层梯度结构的吸波机制示意图
图3是三层梯度结构的吸波机制示意图。当与电磁波相互作用时，表层因MXene含量低，介电常数小，与空气的阻抗匹配良好，因此大部分电磁波能够进入材料；中间层MXene含量适中，介电常数适中，且通过表层的过渡与入射电磁波的阻抗匹配得到改善，大部分入射电磁波可进入其内并被吸收；底层MXene含量较高，对电磁波的损耗能力最强，且通过表层和中间层的过渡，与入射电磁波的阻抗匹配得到大幅改善，大量电磁波可进入底层并被吸收。因此，这种梯度结构可显著改善MXene与空气的阻抗匹配。
东南大学材料科学与工程学院为该论文第一完成单位，博士生张亚君为第一作者，潘龙副教授和孙正明教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和中国科协青年人才托举工程的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202200018