雷夢婕，陳文雄，陳增，王印，邢宏龍

（安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001）

電磁波（EMW）主要應用于醫(yī)療設備、軍事、信息和通信（5G）[1-2]等領域。微波吸收材料要有效地吸收和衰減入射電磁波[3-4]，關鍵是要具有良好的阻抗匹配和優(yōu)良的衰減性能。

微波吸收材料的介電損耗與磁損耗相結(jié)合是改善微波材料吸收性能的有效手段。微波吸收材料常以MWCNTs為基體材料[5]，其表面基團可以作為極化中心。但是單一的MWCNTs阻抗匹配差，不利于材料對微波進行吸收衰減，利用組分協(xié)同作用的機制可有效改善這一缺陷。二硫化釩具有離子遷移率高、導電性好、制備簡便等特點，是新一代微波吸收材料的潛在候選材料。Li等[6]使用原位聚合及化學共沉淀的方法制備了具有點蝕CI（去核羰基鐵）的（MW/BaTiO3）復合材料，結(jié)果表明：30%負載時的最小反射損耗在9.7 GHz時為-11.5 dB。厚度為3 mm的MW/BaTiO3/CI的雙層吸收器具有更好的電磁兼容性，可用于X波段微波吸收器。Zhang等[7]通過簡便的一步水熱路線制備同軸堆疊VS2納米片。當反應溫度為190℃時，復合材料的最小反射損耗達到了-57 dB。然而，VS2在電磁波吸收中的應用面臨著挑戰(zhàn)，其重點在于形貌控制和電磁參數(shù)調(diào)節(jié)。

本文通過水熱法控制VS2的形態(tài)，制備出片層狀VS2/MWCNTs復合材料，呈片狀結(jié)構(gòu)的VS2可以增強其對電磁波的多重反射能力。分析了材料形貌及MWCNTs添加量對復合材料微波吸收性能的影響，揭示了VS2/MWCNTs復合材料對電磁波的耗散機制。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

MWCNTs，成都有機化學有限公司；偏釩酸銨、氨水、硫代乙酰胺（TAA），國藥集團化學試劑有限公司。

FA-1104N型電子天平，上海勒頓實業(yè)有限公司；85-1型磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；JK-3200B型超聲波清洗器，合肥金尼克機械制造有限公司；DHG-9036A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；TGL-18C型高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 樣品制備

準確稱取20 mg、35 mg、50 mg MWCNTs溶于20 mL去離子水中，超聲處理30 min。隨后，在40 mL去離子水中加入0.234 mg偏釩酸銨，磁力攪拌至完全溶解后加入2 mL NH3·H2O和1.50 g TAA，繼續(xù)攪拌至溶液變?yōu)樽鼐G色。將棕綠色混合溶液加入到上述酸化的MWCNTs溶液中，攪拌30 min后轉(zhuǎn)移至100 mL反應釜，在180℃下反應20 h。洗滌后干燥過夜收集產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌的分析

圖1為VS2/MWCNTs復合材料的SEM圖，由圖1可以觀察到，受靜電力影響，由片層狀VS2以及多壁碳納米管相互纏繞而組成的類似玫瑰花狀的結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積。在電磁波的傳輸過程中，片層的相互堆疊有利于電磁波在內(nèi)部的多次散射與反射[8]。此外，多壁碳納米管與VS2之間能夠形成導電網(wǎng)絡，提升電子的傳遞，進一步加強材料對電磁波的電導損耗能力。

圖1 樣品S2的SEM圖

2.2 復合材料的化學信息表征

使用X射線衍射儀（XRD）研究了樣品的晶體結(jié)構(gòu)，三個樣品的XRD圖譜如圖2（a）所示。從圖2可以觀察到，在2θ=15.38°、35.74°、45.23°、57.14°、58.32°、64.74°、69.25°和77.29°處出現(xiàn)了8個特征峰，通過與PDF標準對比卡片（JCPDS No.89-1640）比較[9]，特征峰的位置與（001）（011）（012）（110）（103）（004）（201）和（113）晶面相對應，這些峰的存在表明本實驗合成了VS2/MWCNTs。此外，沒有檢測到額外的雜峰，表明VS2/MWCNTs復合材料的物相較純。

圖2 三組樣品的XRD圖譜（a）和拉曼光譜（b）

圖2（b）為三個樣品的拉曼光譜圖。碳系材料的石墨化度可以用拉曼光譜來表征。三種MWCNTs基復合材料在1 576 cm-1（G帶）和1 349 cm-1（D帶）處分別出現(xiàn)了兩個衍射峰。一般情況下，ID/IG值越大，樣品的無序程度越高。具體而言，樣品S3的ID/IG值為1.014，大于樣品S1和S2的ID/IG值。

2.3 負載比例對復合材料電磁參數(shù)的影響

反射損耗值（RL）是評價材料微波吸收能力最直觀的指標。根據(jù)傳輸線理論，RL的值由以下公式計算[10]：

樣品的微波吸收性能可以通過電磁參數(shù)來評估，電磁參數(shù)實部代表電磁儲存能力，虛部代表電磁損耗能力[11]。如圖3（a）所示，三個樣品的介電常數(shù)實部值都有隨著頻率的增加而減小的趨勢，在2～18 GHz頻段對應的介電常數(shù)實部值S3＞S2＞S1。圖3（b）為三個樣品的ε"與頻率的關系圖，從圖中我們可以看出，同一頻率對應的介電常數(shù)虛部值S3最大，這符合自由電子理論：虛部值與該樣品的電導率成正比。對比S2與S1，我們可以發(fā)現(xiàn)，在8～10 GHz處存在著一個顯著的共振峰，這與S3樣品的多組分之間的多界面極化有關。從圖3（d～e）可以看出，三個樣品的μ'值在測試范圍內(nèi)都圍繞著數(shù)值1上下波動，μ"保持著在低頻區(qū)急劇增大，在高頻區(qū)急劇減小為負值的趨勢，這是由于樣品產(chǎn)生了渦流效應，使得一部分電場轉(zhuǎn)化為相反的感應磁場所致。對比圖3（c）與圖3（f）我們可以發(fā)現(xiàn)，磁損耗角正切值遠遠小于介電損耗角正切值，說明該樣品的微波吸收損耗機制主要為介電損耗[12]。

圖3 三個樣品的介電常數(shù)（a-b）和磁導率（d-e），介電常數(shù)正切值tanδε（c）和磁損耗正切值tanδm（f）

2.4 反射損耗曲線分析

不同厚度下的三個樣品反射損耗值與頻率之間的關系如圖4所示，我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)，樣品S2微波吸收性能最好，樣品S3性能次之，樣品S1性能最差。從圖4（b）和4（d）中可以看出，樣品S2在厚度為1.43 mm時，頻率為16.16 GHz時實現(xiàn)最小RL值為-66.37 dB。此外，在厚度為1.5 mm時其有效吸收帶寬最大可以達到4.56 GHz。樣品S3在頻率為2.16 GHz，厚度為2.0 mm時的最小反射損耗值為-28.85 dB，在厚度為1.5 mm時，最大有效吸收帶寬為4.08 GHz。從圖4（a）中可以看出，樣品S1微波吸收性能較差，這是由于樣品的阻抗匹配特性失配。

圖4 三個樣品在不同厚度下的反射損耗值隨頻率的變化關系圖

2.5 阻抗匹配和衰減系數(shù)分析

微波吸收材料對電磁波的綜合損耗能力可由衰減系數(shù)α來衡量[13]。一般來說，在材料滿足阻抗匹配的條件下，損耗常數(shù)的值越大代表該材料對電磁波的損耗能力越強。由圖5我們可以看出，在2～18 GHz的測試頻段內(nèi)，S3的衰減常數(shù)最大，S1的最小，S2的居于二者之間，說明獲得的S3具有最強的電磁波損耗能力。三組樣品中，S2在1.43 mm厚度下的Zin/Z0的值接近1，得出此厚度下材料的阻抗匹配特性最好[14]。綜合衰減系數(shù)與阻抗匹配，可以得出S2的電磁波吸收性能最好。

圖5 VS2/MWCNTs復合材料的衰減系數(shù)與阻抗匹配圖

3 結(jié)論

本工作采用水熱法制備了片層狀VS2/MWCNTs復合材料。通過對組成成分、形貌結(jié)構(gòu)的表征，自主制備的片層狀VS2/MWCNTs復合材料的微觀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生極化中心及偶極極化行為，有效地對電磁波進行吸收衰減。通過調(diào)整多壁碳納米管的負載比例，研究了其對微波吸收性能的影響。結(jié)果表明，當MWCNTs的添加量為35 mg時，片層狀VS2/MWCNTs復合材料的最小反射損耗達到了-66.37 dB，有效吸收帶寬達到了4.56 GHz。在今后的研究中，制備簡便、性能優(yōu)良的微波吸收材料已成為一種趨勢。本文中使用的一步水熱法具有簡便、高效、環(huán)保以及經(jīng)濟性良好等諸多優(yōu)點，并且所制備的VS2/MWCNTs復合材料也表現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁波吸收性能，這無疑為將來微波吸收材料的開發(fā)開辟了新的視野。