关键词:
MXene
聚吡咯
多尺度包覆
一体化阻抗渐变
吸波
频率选择织物
摘要:
吸波材料是将电磁波能量转换为热能或其它形式能的一种功能材料,是切断电磁波传播途径、抑制电磁波辐射和干扰技术的重要技术手段之一。近年来随着电磁环境日益复杂,吸波材料正朝着智能化、多功能化、轻量化、柔性化的方向快速发展。
新型二维过渡金属碳/氮化合物MXene因其大的比表面积、超高导电性和层状结构而备受关注。MXene在腐蚀剥离的过程中产生官能团,表现出亲水性,使其能够与极性聚合物纺织品相互作用而不牺牲MXene的导电性,有利于制造多功能纺织品。本论文中以MXene为导电材料,制备具有不同电磁特性的MXene基屏蔽织物、吸波织物、频率选择织物以及层复合吸波织物。因其特有的柔性、多尺度结构可调、一体化成型技术、多功能附加技术展现出优异的导电或吸波特性。
主要研究内容如下:
(1)MXene基导电纱线/织物及其电磁性能。利用Ti3C2TX MXene表面丰富的官能团以及可控的微观结构。通过调控制备工艺获得不同片层尺寸的Ti3C2TX MXene。利用Ti3C2TX MXene对纱线或织物的多尺度包覆解决导电填料与纺织材料结合牢度差的问题。首先以原纱和练漂纱为基材,通过不同尺寸Ti3C2TX MXene的包覆,结合形貌表征、电导率测试、耐水洗测试、力学性能测试探究不同尺度Ti3C2TX MXene与棉纱的结合机理。实验结果表明,大片层Ti3C2TXMXene包覆棉纱具有更高的电导率,先后包覆小、大片层尺寸Ti3C2TXMXene的纱线,耐水洗性最好,兼具良好的电学和力学性能,是更为理想的Ti3C2TX MXene导电纱线。进一步,以不同片层尺寸Ti3C2TX MXene包覆棉织物,并通过电导率和屏蔽效能的测试,明确不同的最佳加载量以及包覆方式。结合不同洗涤次数和高温退火,探究Ti3C2TX MXene多尺度包覆棉织物的耐洗涤性和耐高温性。实验结果表明,将小片层与大片层Ti3C2TX MXene先后包覆织物的方式有利于导电路径的构建和结合牢度的提高。先后包覆Ti3C2TXMXene的棉织物(Small/Large MXene coated cotton fabric,SL-MF)同时具有高屏蔽效能和耐洗涤性。除此之外,良好的导电性使得SL-MF在不同电压激励下产生不同热效应。这一部分的工作为后续MXene基纺织材料的研究提供技术基础。
(2)一体化阻抗渐变柔性高效吸波织物研究。针对传统多层阻抗渐变材料层间存在空气介质、容易分离和阻抗阶跃的问题,提出一体化阻抗渐变结构构建方法。分别以气相聚合制备MXene/聚吡咯(PPy)一体化阻抗渐变吸波涤纶间隔织物(MXene/PPy integrated impedance gradient absorbing PET spacer fabric,MP-IIGSF),以冷冻界面聚合法制备MXene/PPy一体化阻抗渐变吸波涤纶毡(MXene/PPy integrated impedance gradient absorbing PET felt,MP-IIGF)。在气相聚合中,利用吡咯单体的向上挥发,在织物厚度方向自下而上一次性形成PPy的浓度递减聚合,进而形成阻抗的梯度变化。通过对织物分层切割以及对织物不同方向电磁参数的测试,证实MP-IIGSF不是简单的均质材料,而是具有明显的各向异性。不仅具有-27.96 d B的反射损耗,还保持了织物固有的透气、柔软、轻质特性,且兼具隔热、阻燃等多功能性。
在冷冻界面聚合中,利用吡咯单体在重力下的沉降形成自上而下浓度递减聚合。通过改变MXene浓度、吡咯单体浓度调控复合织物电磁参数,明确最佳制备工艺。并对织物进行切片分层,通过形貌、能谱、电磁参数等测试明确织物内部的阻抗分布规律。实验结果表明,织物靠近吡咯的一端到远离吡咯的一端输入阻抗逐渐增加并接近自由空间阻抗,促进电磁波的逐级消耗吸收。MP-IIGF 0.6在11.1 GHz的反射损耗为-19.9 d B,有效吸波带宽可达10.6 GHz。通过比较阻抗阶跃渐变与一体化阻抗渐变的反射损耗值,明确一体化阻抗渐变具有优异的吸波性能。一体化阻抗渐变结构协同MXene与PPy的导电和极化损耗实现对MXene/PPy复合吸波剂电磁参数的高效调控,极大地提高了复合吸波织物的阻抗匹配及衰减能力。
(3)频率选择/阻抗渐变的宽频吸波织物研究。为解决MP-IIGF在低频吸波性能差的问题,以纯棉机织物为基体,SL-MF作为导电单元,分别制备了不同谐振频点的贴片型和孔隙型两种MXene基频率选择织物(MXene based frequency selective fabric,M-FSF)。结合仿真模拟与等效电路模型,分析谐振单元尺寸与谐振频点及透射系数的关系。并通过实验验证,得到理论分析与实验结果的一致性。进而以M-F