Research progress in composition and structure of MXene and its composite wave absorbing materials
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摘要: 电子设备的日益普及加剧了电磁波污染问题，开发电磁波吸收材料不仅能够保护人体和精密设备免受电磁波干扰，也能减少电磁波的二次污染，无论民用还是军事上都有巨大研究意义。MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维纳米片层材料，具有较大的横纵比、可调节的导电性和丰富的官能团，可用于研究高性能电磁波吸收材料。本文综述了MXene的化学组成及其在吸波领域的研究进展，详细介绍了吸波材料的损耗机制，并分别从微观结构和宏观形态对MXene基复合吸波材料进行了归纳和分析，最后在损耗机制、结构和多功能等方面对MXene及其复合吸波材料的未来发展方向进行了展望。Abstract: The increasing popularity of electronic devices has aggravated the problem of electromagnetic wave pollution, and the development of electromagnetic wave absorbing materials can not only protect the human body and precision equipment from electromagnetic wave interference, but also reduce the secondary pollution of electromagnetic waves, which has great research significance in both civil and military applications. MXene is a novel two-dimensional nanosheet material with graphene-like structure, which has a large aspect ratio, adjustable conductivity and abundant functional groups, and can be used to study high-performance electromagnetic wave absorbing materials. This paper reviews the chemical composition of MXene and its research progress in the field of wave absorption, introduces the loss mechanism of absorbing materials in detail, and summarizes and analyzes MXene-based composite absorbing materials from microstructure and macroscopic morphology respectively, and finally gives an outlook on the future development direction of MXene and its composite absorbing materials in terms of loss mechanism, structure and multifunction.
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Keywords:
- MXene /
- wave absorption /
- composite materials /
- loss mechanism /
- wave absorption performance
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随着科技和人们生活水平的不断提高，电子设备日益普及，使得电磁波在通讯、遥感、空间探测和国防等方面得到了广泛的应用，给生活带来了极大的便利。但是电磁波在产生、传递和接受过程中会产生大量的电磁波辐射，严重危害到人类的身体健康并干扰电子设备的正常运行。电磁波吸收材料能保护人体和精密设备免受电磁干扰，同时也能减少电磁波的二次污染，在军事领域中有广泛的应用[1-3]。例如，在武器设备中使用吸波材料，可以有效吸收和衰减进入材料内部的电磁波，并将电磁波的能量以热能的形式耗散达到隐身效果，使敌方的探测设备不易发现或者发现距离缩短[4]。
近年来，对电磁波吸收材料的研究日益增长，根据吸波机制划分，吸波材料主要为介电损耗型、磁损耗型[5]和欧姆损耗型；基于此，越来越多的吸波材料被开发成功。传统的吸波材料有铁氧体[6]、金属氧化物[7]、聚合物[8-9]、石墨烯(GO)[10]和碳纳米管(CNTs)[11]等纳米材料，然而，高密度、高成本、低耐腐蚀性、电磁波吸收频率窄等诸多限制因素使材料无法满足在复杂恶劣环境中的需求。此时，一种新型二维材料——过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，即MXenes引起了人们对微波吸收的强烈研究兴趣。MXenes是一类从MAX相中刻蚀掉A层制备得到的具有类石墨烯结构的二维纳米片层材料[12]，有较大的纵横比和可调节的导电性能及丰富的官能团，无疑是研究吸波材料的首选。与传统的吸波材料相比，当GO和MXenes作为填充物加载到基体中制备吸收器时，这些特性使它们在较低填充含量时能实现更强的导电损耗和偏振损耗。而在研究过程中，MXenes展现出不同于GO的特殊优势：(1) MXenes具有数量可控的层状结构，电磁波在片层之间可实现散射和反射，MXenes的母体是MAX相，一种极具坚韧性的层状导电陶瓷。刻蚀掉A层之后，MXenes表现为由二维片层严格叠层排布的三维类手风琴颗粒。独特的局域化三维个体中排布着超过1 nm的真空层间距，可作为多种载流子存储空间，或者活性物质承载位点； (2) MXenes材料具有高导电性，使其在构建导电网络和产生导电损失方面的效率大于GO；(3)刻蚀后产生丰富的表面官能团会引起偶极极化和界面极化等，进而产生更大的极化损耗[13]；其轻质和高导电的介电性能满足新型吸波材料“薄、轻、宽、强”的发展要求，这意味着MXenes作为一种新型吸波材料能取代GO，用于更有效的电磁保护。但对于MXene材料而言，低成本、无公害、规模化的稳定制备仍是其广泛应用的基础，相对于石墨烯的大批量制备而言，MXene目前仍依赖于有害的酸碱刻蚀剂，且成本较高，此外，MXene在常温常压下极易氧化，导致物象和结构发生破坏，电导率甚至会下降好几个数量级，这种自发的降解在少层的MXene粉体或溶液中表现的尤为明显，因此，距离工业化的愿景还存在一定距离。
本文综述了国内外MXene及其复合材料在电磁波吸收领域的研究进展，并详细介绍了吸波材料的损耗机制，列举了常见的MXene基复合吸波材料的化学组成，主要有MXene/羰基吸波材料、MXene/磁性纳米粒子吸波材料、MXene/导电聚合物等；并分别从微观结构和宏观形态对MXene基复合吸波材料进行了分类 ，微观结构主要有核壳、多孔和类三明治结构，宏观形态主要分为：MXene基复合膜、MXene基气凝胶、MXene 基泡沫及MXene基纤维织物等；最后，对目前MXene及其复合吸波材料发展中存在的不足进行讨论分析，并对未来的发展方向进行了展望。
1. MXene材料
1.1 MXene的化学组成
Naguib等[14]现了一种新型的纳米材料MXene，其中MAX是一类具有极好延展性的密排六方层状过渡金属碳化物和氮化物结构，可用Mn+1AXn表示其化学成分组成，其中n=1、2或3，“M”代表早期过渡金属元素，“A”代表IIIA~IVA族元素，“X”代表氮或碳元素。每一层X原子都与过渡金属元素M紧密结合在一起，每两层Mn+1Xn之间夹着一层A原子，且M—A之间的作用力比M—X之间作用力弱，可以通过氢氟酸(HF)[15-17](刻蚀机制及形貌变化如图1所示)、含氟刻蚀剂[18-21]或加热(熔盐刻蚀[22])等方法去除A原子，获得具有特殊表面积的Mn+1XnTx，其中Tx是指表面官能团(如—F、—O或—OH等)，为了更直观地表达材料的来源和类石墨烯片层结构，将其命名为MXene。基于各种过渡金属及其合金与C和N元素的结合，MXene家族已存在多种类型的材料，如Ti3C2Tx[23]、Ti2CTx[24]、Ti4N3Tx[22]、Nb2CTx[25]等，其中研究最广泛的就是Ti3AlC2。从组成上看， 根据“M”的不同，部分不含任何表面官能团的MXene(如Tin+1Nn和Tin+1Cn型)可具有一定程度的磁性。MXene纳米片层优异的电导率能引起极强的电磁损耗能力，使其能广泛应用于电磁屏蔽[25]和吸波材料等领域。此外，MXenes材料因其极高丰富度、可定制性和独特的物理化学性质及层状微结构而引起了包括电化学、催化、传感、能量富集及生物医学等领域的广泛关注。尤其是在储能领域，MXenes已经成为继石墨烯家族之后最受欢迎的二维电极候选者。MXenes在电池和超级电容器开发中展现出了丰富的功能，包括双层和氧化还原型离子存储、离子输运调节、空间位阻、离子重分布、电催化剂、电沉积基底等。因此，这类材料已被用于提高电极、电解质和隔膜的稳定性和性能等方面。
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1.2 MXene的性能特点
由HF刻蚀后的的MXene表面会产生—F、—O、—OH等端基，值得注意的是，这些“M”和“X”元素的比例及表面端基的存在能够调节MXene的性质，使其具有从金属到半导体的性质，同时也为表面修饰提供了位点。
1.2.1 电子特性
MXene的导电性取决于其组成[12]，其中，表面端基中—F、—OH对MXene的电子特性表现出相似的影响，主要是由于它们可以接受平衡状态下的单个电子，而—O端基则可以接受两个电子，因此，MXene的电子特性会随着合成方法及表面修饰程度不同而不同。许多理论计算已经证明纯MXene具有金属特性，在费米能级附近有大量的电子，例如，Ti2CO2是一种半导体，当含有一些原子序数较高的重金属铬或钨的时候，则被检测到是绝缘体[27-30]。此外，研究较多的Ti3C2Tx薄片是半导体，其薄片的厚度不同也会导致电阻率和透射率的不同[29]，而其电阻率又会随着温度的降低而增大[30]。因此，在制备过程中应适当注意其温度的影响。
1.2.2 力学性能
MXene的力学性能受到了“M”种类的影响，例如，MoC2进行双轴拉伸时弹性模量能达到312 GPa，临界应变达到了0.086，理想强度可达到20.8 GPa，显示出优异的机械稳定性[31]。值得注意的是， MXene的固有拉伸-应力特性也可通过表面改性来调节，一般来说，保持MXene弹性和强度的关键因素是片层之间的相互作用，这与片层之间的距离成反比[32]。例如，当表面末端为—OH时，彼此之间能形成氢键，片层之间的距离要小于末端为—O、—F的层间距离，从而产生更多的弹性模量[33]。此外，MXene薄膜能承受自身重量的4000倍的重量，当和其他材料复合时能够进一步提高其拉伸强度，进而改善材料的力学性能。
1.2.3 稳定性
主要包括材料的热稳定性和溶液稳定性，研究表明，MXene在无氧溶剂中或者干燥的空气中都相对稳定，但容易与氧和水发生反应而被氧化，特别是在光照条件下[34]，氧化一般从边缘开始，易形成金属氧化物纳米晶体(二氧化钛)，然后在整个表面生长 [35-38]。因此，MXene的保存一般都是在黑暗或者无氧的环境中冷藏。值得注意的是，在存储或后处理过程中，MXene表面末端会发生变化，例如，—F基团会由于冲洗或者存储在水中而被羟基取代，相比之下，—O、—OH的稳定性更好[39]，这些末端的存在提高了材料的吸附能力。因此，MXene的性能可以通过表面处理、原子掺杂、阳离子或有机分子插层等处理方式，进而改变MXene的性能。
除了以上特性以外，二维MXene材料还具有优异吸附性、铁磁性、抗菌活性、热电性能、光热转化及电磁波屏蔽及吸收特性，广泛应用在水净化、光和电催化剂、生物传感器、光热治疗及电磁波屏蔽等各个领域。
1.3 MXene吸波材料的研究现状
MXenes吸波材料有其独特的化学组成和结构，可以通过制备方法的选择和工艺条件的控制，实现对材料微观结构的设计，从而拓宽电磁波的有效吸收宽度、增强吸收强度、降低材料表观密度，达到拓宽材料多功能一体化的目的，有望制备出满足“薄、轻、宽、强”的高性能吸波材料。MXenes的制备方法有很多，图2总结了近十年来MXenes制备技术的发展历程，其中LiF、HCl是最广泛用于合成高质量MXene的原位刻蚀剂之一[40]。Ghidiu等[17]利用LiF和HCl的混合溶液在40℃下对Ti3AlC2进行刻蚀并成功制备了Ti3C2Tx MXene，经过插层处理和超声分散获得了高质量的Ti3C2Tx单层纳米片，结果表明：与直接使用浓缩的HF溶液相比，温和的分层条件可以通过类似的反应刻蚀A原子并且危险较小，所获得的薄片有更大的横向尺寸且纳米尺寸缺陷可忽略不计。Zhou等[41]利用原位生成HF的方法对MAX相刻蚀，并通过乙醇超声分离制备了单片层Ti3C2Tx MXene。结果表明：在6.5 GHz处，当单层Ti3C2Tx MXene填充量为22wt%时，材料的最大吸收可达到−43.5 dB，且厚度为1.8 mm时的有效吸收带宽EAB(反射损耗RL<−10 dB)值为6.88 GHz，这优于多层Ti3C2Tx MXene材料，且低填料含量时以介电损耗为主，高填料含量时为导电损耗为主，表现出较强的吸收能力；这主要是由于单层MXene具有较大的比表面积，可以提供足够的界面极化和片层之间的反射路径；同时，材料表面结合的大量原子也可以和微波发生无阻抗的相互作用，增加电磁波的衰减。
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与其他二维材料类似，MXenes材料自身性能会受到聚集和堆积的影响，且填充量较低时材料的表面性能较差，其自组装能力难以形成坚硬的3D多孔结构。为解决上述问题，近年来，对MXenes吸波材料的研究从二维结构逐渐向三维结构拓展， Liu等[42]引入聚酰亚胺(PI)对MXene片层界面增强，制备了具有多功能、超导电和轻质特性的3D MXene结构(如图3(a)所示)，使其在9.59 GHz处的最小RL为−45.4 dB，且材料厚度为2 mm时，有效吸收带宽(RL＜−10 dB)为5.1 GHz，这主要是由于PI大分子使MXene片层间紧密连接，赋予其结构显著的可逆压缩性和可拉伸性，并使材料表现出优异的抗疲劳性、高导电性、隔热性及热稳定性， 实现“薄、轻、宽、强”发展要求的同时，实现了材料多功能方向的发展。Dai等[43]在此基础上利用双向冷冻技术构建了各向异性的层状多孔MXene/PI气凝胶结构(如图3(b)所示)，由于产生了双向温度梯度且气凝胶结构能有效地传递载荷，使该材料不仅具有稳定可重复的阻力响应，还具有可识别的方向压力敏感性，更重要的是，当厚度为1.91 mm时，有效吸收带宽达到6.5 GHz，几乎覆盖了广播和军用雷达整个X波段。
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尽管MXenes材料的研究取得了新的进展，但其自身的高导电性会产生界面反射高和阻抗匹配差等缺陷，同时，纯MXenes材料存在韧性低、易堆积、在含氧气氛中稳定性差等缺陷，使其表面能降低，电子和离子传输减缓，限制了在原始环境中的进一步发展[44]，进而无法满足实际需求；针对以上问题可以提供3种解决思路：(1) 改善MXene的制备工艺并对其表面进行处理，精准控制MXene表面基团和缺陷成度；(2) 可以通过组分调控和结构设计相结合，将MXene与低介电损耗材料复合，制备吸波性能优异的吸波器，从而改善阻抗匹配特性并提高电磁波衰减能力；(3) 通过热处理工艺制备MXene基衍生物来实现更好的吸波性能。
2. 电磁波损耗机制
电磁波入射到材料表面时会有3种情况产生，如图4所示，一部分电磁波刚接触到材料表面后就会发生反射，一部分可以直接透过材料，还有一部分进入材料内部后在结构和组分的作用下经过多次反射和折射而散失[45]，研究表明，良好的电磁波吸收器应具有较好的阻抗匹配性能和优异的电磁波衰减性能，使更多的电磁波能够进入到材料内部进行衰减，从而减少电磁波的污染。研究阻抗匹配机制下的电磁波衰减能力是目前研究员所关注的热点，电磁波的损耗机制可分为介电损耗、磁损耗和欧姆损耗，大多数情况下，材料的吸波性能是多重损耗机制共同作用的结果。
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图 4 电磁波吸收机制示意图Figure 4. Schematic diagram of electromagnetic wave absorption mechanismEM—Electromagnetism2.1 介电损耗
研究过程中发现，介电损耗主要是由界面极化、偶极子极化、缺陷诱导极化和导电损耗4种机制引起的，相应的损耗机制如图5所示。在实验中可通过调节界面大小、缺陷和偶极子的浓度及电导率来调节相应极化强度，增强对电磁波的损耗。
界面极化又叫做麦克斯韦-瓦格纳(Maxwell-Wagner)极化效应 [46]，是指均质或异质界面处，组分极性和电导率的不同会导致在外场作用下，电子在界面处发生聚集。目前的研究中主要有两种界面极化形式，一种是均质(A/A或B/B组分)或异质界面(A/B组分)引起的极化，对于多组分的复合材料来说，异质界面能引起更强的界面极化；另一种是多孔或中空材料与其中的空气介质引起的界面极化，多孔的结构设计不仅能够制备轻质的吸收器，改善阻抗匹配特性，还能增大吸收材料与空气的接触面积，产生更多的界面极化从而增强对电磁波的吸收[47]。
偶极极化是指固有偶极子在电场的作用下发生重排产生的极化，尤其是极性分子或极性官能团作为偶极子时，在电磁场发生变化时会产生偶极极化和弛豫过程，进而消耗电磁波能量。但吸波器在高温煅烧过程中，一些极性分子如水分子会被消除，因此，极性官能团起着关键性的作用。例如，碳纤维、碳纳米管、MXene[48-49]及石墨烯[50-51]等碳质材料中的官能团能产生强烈的偶极极化，因此，可以在实验过程中接枝极性官能团来增强偶极极化，进而增大对电磁波的衰减能力。
通常情况下，材料的缺陷有点缺陷、一维缺陷、平面缺陷，这些缺陷部位能够捕获载流子，使电荷平衡受到破坏，产生与偶极极化作用类似的缺陷诱导极化，造成电磁波的损耗[52-54]。点缺陷中研究较多的是氧空位和杂原子掺杂，含氧的材料中普遍存在空位，这些空位就能捕获载流子，引起极化效应，一般情况下，可以通过热处理、还原处理或阳离子掺杂等方式调节氧空位的浓度，进而增强极化[55-67]。对于杂原子掺杂方面，研究较多的有F、N、P、B等杂原子，这些原子的掺杂能引入氧空位进而增大电磁波的极化损失。例如Shao等[58]通过电弧放电的方法制备了N原子掺杂的石墨涂层钴纳米颗粒，有效地优化了阻抗匹配和由介电损耗和磁损耗引起的自然损耗。
电磁波在传播的时候能够产生传导电流，电流传播时受到电阻的作用会产生焦耳热，进而引起电磁波的耗散，这种损耗叫做导电损耗。导电损耗一般存在于高导电材料当中，如石墨烯、碳纤维、碳纳米管等碳材料和聚吡咯、聚苯胺[59]等高导电聚合物，但是过高的电导率往往会引起阻抗不匹配的现象，所以高导电材料一般要和其他材料进行复合，优化阻抗匹配的同时，增大电磁波的损耗。导电损耗一般和电导率有关，因此，可以增加高导电组分的填充比或者设计三维导电网络，促进电子的跳跃过程[60]。
2.2 磁损耗
磁损耗是指磁性组分在磁化或反磁化过程中，外界对其做的功中部分以热能的形式散失，从而达到对电磁波的耗散的效果[61]。磁损耗主要存在磁滞损耗、铁磁共振、涡流共振3种机制。
磁滞损耗主要是由畴壁内磁矩的不可逆转动引起的磁感应强度随着磁场强度而发生变化的滞后效应，其损耗功率与外加磁场频率有关；涡流损耗主要是当电磁波作用于铁氧体材料时其内部产生焦耳热，造成的能量损耗，理论上，涡流损耗越大越有利于能量的耗散，但过大的涡流损耗使得磁场仅存在于材料表面，电磁波难以进入材料内部，因此，通过降低尺寸或者增大电阻来削弱涡流损耗是十分必要的。
磁损耗型吸波材料的磁导率＞1，相比于其他两类(介电损耗型和欧姆损耗型)吸波材料可以同时具备介电损耗和磁损耗能力，多种吸收机制的协同作用有利于增强电磁波的吸收能力，因此，磁性吸波材料成为研究最为广泛的吸波材料。
目前，关于磁损耗材料研究最多的主要是铁氧体和磁性金属粒子，其中铁氧体一般是指铁族元素与其他一种或多种适当的金属元素共同组成的复合化合物，这类吸波材料不仅具有较好的介电性能，同时又有较强的磁损耗效应，其电导率可达到102~108 Ω/m，按照晶体结构类型可将其分为尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体和六方晶系铁氧体3种类型；磁性金属粒子具有高磁导率和一定的温度稳定性，一般分为羰基金属微粉类和蒸发或还原有机醇盐得到的磁性金属微粉类吸波材料[62-65]。研究较多的磁损耗型填料主要有Fe、Co、Ni、Fe3O4、铁镍合金(FeNi)、ZnFe2O4等，单一组分材料的吸波性能并不能满足“薄、轻、宽、强”的发展要求，往往需要结构的设计及与其他组分复合才能达到优化阻抗匹配，增强电磁波吸收的效果。与介电损耗相比，磁损耗型的材料在高温下保持电荷的能力较弱，损耗效率易受到高温和高密度的影响，相关的机制和模型还存在一些挑战。
2.3 欧姆损耗
当交变电场作用在吸波材料时，材料内部将电磁能转变成热能而产生的损耗叫做欧姆损耗也叫导电损耗[63]。导电损耗很大程度上取决于材料的导电性，传统的导电材料主要有金属、碳纤维、MXene、导电高分子聚合物等，合理的结构设计和较高的电导率能产生多重效应，有利于将大部分电磁波能量转变成热能的形式耗散。在电磁波辐射下，导电吸波材料的吸收原理是基于材料本身中的电子迁移或者跃迁对电磁波的衰减。图6显示空心ZnFeO@PANI纳米球能有效提高聚苯胺(PANI)的分散性，并产生更多有利于电子传输的导电路径，从而改善导电损耗。其导电损耗机制是电磁波能诱导电动势的产生从而引起电子迁移，在感应电动势的存在下，电子发生方向运动，使电磁波产生欧姆损耗，并将能量转换成热。电子跃迁是温度的函数。电子在高温下被激活并跳过势垒，导致传导损失增加。金属材料通过自由电子的运动形成电流，一部分能量转化为热量，在电阻的存在下损失。为了更大限度地提高电磁波的衰减率，材料应具有良好的导电性和载流子的运动能力。然而，高导电率并不是提高电磁衰减的唯一标准，导电网络的形成是实现整体高电导率的主要前提[66]。
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目前吸波材料研究领域对于吸波材料的电磁波损耗机制分析仍停留在损耗机制类型的判断和定性分析中，由于吸波材料成分和结构的多样性，目前仍没有普适性的电磁波损耗机制量化评价公式，尚难以做到对于吸波材料中不同损耗机制对电磁波能量吸收贡献的量化分析。此外，研究人员在揭示传导损耗和极化损耗在电磁能量衰减中的作用时，也设计了基于电磁能量转换机制的原型装置，为电磁能源的利用提供了新的思路[68]。
2.4 MXene的吸波机制
MXene具有良好的电导率、特殊的表面积、丰富的表面官能团和良好的加工及复合性能，使其可以作为电磁波吸收材料。Lipatov等[69]的研究表明多片层的Ti3C2Tx电阻率比单片层的Ti3C2Tx高一个数量级。MXene的主要导电机制如图7所示，每一层的MXene都可以看作是一个导电组件，多片层的MXene彼此之间相互堆叠，形成导电网络，电子吸收电磁能之后可以移动到层间或者表面，这些移动的电子在与晶格发生碰撞时会消耗能量。当MXene存在缺陷时，部分电子受到电磁波的激发后能够越过缺陷，实现电子的跳跃，当MXene片层间的距离较小时，也可以实现不同片层之间的跳跃。因此，较高的导电性成为MXene作为吸波材料的重要因素。
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图 7 (a) 在MXene的导电碳化物核心中迁移的电子；(b) 缺陷和纳米片层间跳跃电子的传输；(c) MXene导电网络中电子的传输；(d) MXene片层上的偶极极化；(e) MXene的多重反射图[68]Figure 7. (a) Migrating electrons in conductive carbide core of MXene; (b) Hopping electron transport in defects and between nanosheets; (c) Electron transport in a MXene conductive network; (d) Dipolar polarizations in MXene conductive network; (e) Multi-refection diagram of MXene[68]此外，MXene作为吸波材料最关键的因素在于自身的介电损耗特性。MXene被刻蚀后会不可避免引入许多表面官能团，一方面这些官能团将引起电荷不对称分布，进而有利于偶极子的构建，形成偶极极化效应，当MXene与其他材料复合时，会在界面产生极化效应，并增强电磁波的吸收；另一方面表面官能团含量增加会使电导率下降，但同时产生的缺陷能增加MXene中电子跃迁时的能量损失。然而，官能团的引入使MXene表现出非磁性，在磁场中其磁导率不会随着磁场频率的变化而发生变化[51,69]。当“M”为Cr或Mn时，此类MXene可表现出磁性，由此可见，恰当的表面处理能够影响材料的磁性能。
3. MXene基复合吸波材料
迄今为止，MXene已成功地和多种材料进行复合，如碳纳米管[70]、硫化物[71]、石墨烯[72]、金属(金属氧化物)[73-75]、纳米球[76]和聚合物[77]等材料，这些材料可对应不同的电磁波损耗机制，能有效地调节阻抗匹配和增强电磁波的吸收。此外，通过设计不同的微观结构和宏观形态也可使MXene基复合吸波材料的应用更加广泛。
3.1 MXene/碳基吸波材料
碳材料因具有特殊的微观结构、较强的介电性能、密度低、电导率高、化学稳定性好及易与其他材料复合等特点，使其在雷达隐身领域有着较广泛的应用前景。常用的碳基材料主要有石墨烯、碳纳米管、碳纤维等，但纯碳基材料具有较高的介电常数，阻抗匹配较差，电磁波较难进入材料内部进而导致吸波性能较弱；此外，碳基材料还有易聚集，难以在基体中均匀分散等缺点。为了制备高性能复合吸波材料，通常将碳基材料作为载体与其他组分共同调节电磁参数，以达到高性能的吸波效果。Li等[63]利用牺牲模板法制备了石墨烯骨架包裹MXene球的空心核壳结构，两种介质通过氢键相互连接，优化了阻抗匹配，该结构能有效地降低材料的密度，防止纳米材料聚集的同时也有利于导电网络的形成。更为重要的是，还原氧化石墨烯(rGO)/Ti3C2Tx泡沫表现出了优于所有报道 的泡沫基同类产品的优异的电磁波吸收性能，其EAB可覆盖整个X波段。研究人员还发现将具有高介电性能的一维碳纳米管与二维片层的MXenes材料相结合是提高电磁波吸收性能的另一种有效途径，例如研究人员用化学气相沉积(CVD)工艺成功制备了具有分层夹层结构的MXene/CNTs纳米复合材料，MXenes上原位生长CNTs后仍保持多层结构并与之相互连接形成导电网络，不仅为载流子的传播提供更多导电路径，同时也能产生多种极化效应，均有利于电磁波的耗散[78]。与原始Ti3C2Tx相比，该纳米复合材料表现出更高的吸收强度(最小反射系数达到−52.9 dB)，更广泛的吸收带宽(4.46 GHz)，更低的填料负载(35wt%)和更薄的厚度(仅为1.55 mm)，为进一步扩展二维MXene材料在电磁波吸收领域的应用提供了有效途径。
3.2 MXenes/磁性纳米粒子吸波材料
纳米颗粒是指尺寸不超过100 nm的颗粒，目前研究的主要形式有聚合物、金属(金属氧化物)颗粒、碳颗粒及陶瓷颗粒等，纳米颗粒不仅具有较高的磁饱和度，还具有耐高温、强耐腐蚀性等特性，使其在吸波材料中具有广泛的应用。一方面具有磁性的纳米颗粒与高介电性能的MXenes材料的结合能有效地调节阻抗匹配，使材料具有吸波、透波及偏振等特性；另一方面具有巨大比表面积的纳米颗粒可以在MXenes片层上原位生长，增大界面间相互作用的同时还具有协同电磁效应，进一步提高对电磁波的损耗强度，纳米粒子与结构材料的复合是一种极具发展前途的吸波材料。
Liang 等[51]通过共溶剂热法将Ni纳米颗粒成功负载在MXene片层上，再利用聚偏氟乙烯 (PVDF) 作为吸收基体材料研究了Ni@MXene复合材料的吸波能力，该方法能广泛推广到其他的磁性金属纳米颗粒(钴、钴镍合金等)的形成。实验结果表表明，在8.4 GHz处的最小反射损失RL=−52.6 dB、有效吸收带宽EAB为3.7 GHz，包括71%的X波段，通过调整样品厚度，可实现整个X波段的全覆盖，这主要是由于MXene表面带有负电荷能够吸附Ni2+，不仅为Ni纳米颗粒的生长提供了成核位点还能防止纳米颗粒间的聚集，导致复合材料具有优异的阻抗匹配，使更多的电磁波能够进入材料内部；此外，Ni粒子本身能够引起自然共振和交换共振来削弱电磁波且相邻的纳米颗粒之间也能产生磁耦合效应，阻碍电磁波进一步传输 ；纳米粒子与MXene片层之间为非均质界面存在巨大的介电损耗，各组分之间的协同作用使得电磁波反射强度几乎为零，在雷达领域极具应用前景。
除了磁性纳米金属粒子外，磁性金属氧化物也能进一步改善吸波性能。Zhang等[79]通过简单的溶剂热法使Fe3O4粒子在MXene层间和表面进行原位生长，在200℃高温下，溶剂热过程为Ti3C2Tx MXene提供了一个还原环境，使材料免受高温氧化的同时仍能保持一定的稳定性。Fe3O4颗粒在Ti3C2Tx MXene片层上均匀分散，有效地避免了由于自身强大的表面张力和强磁偶极子之间相互作用而产生的聚集作用；此外，Fe3O4的含量也与吸波性能有关，如图8(d)所示 ，当其填充量从20wt%增加到25wt%时，材料具有明显的磁滞回线，表明其具有较强的磁损耗，有利于提高吸波强度,。磁性金属氧化物的引入不仅增强了磁损耗机制，而且大量界面的存在促进了界面极化和德拜弛豫现象，并通过降低介电常数提高了阻抗匹配。特别是在高频范围，Fe3O4@Ti3C2Tx材料在15.7 GHz处的有效吸收带宽为1.4 GHz，最小RL值达到了−57.2 dB，厚度为4.2 mm，获得了良好的电磁波吸收性能。该项工作为MXene的改性和高性能MXene基微波吸收材料的开发提供了一种简单而新颖的策略。
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图 8 (a) 不同厚度的Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料(25wt%)的反射损失(RL)曲线的频率依赖性；(b) 在l/4模型下，Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料(25wt%)的吸收体厚度(tm)与峰值频率(fm)的模拟结果；(c) Fe3O4@Ti3C2Tx(25wt%)的典型科尔-科尔半圆；(d) 不同Fe3O4含量的Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料的磁滞回线；(e) 30wt%含量的Fe3O4反射损失值的三维图表示[79]Figure 8. (a) Frequency dependence of reflection loss (RL) curves for Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%) with different thicknesses; (b) Simulations of the absorber thickness (tm) versus peak frequency (fm) for the Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%) under the l/4 model; (c) Typical Cole-Cole semicircles of Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%); (d) Magentic hysteresis loops of Fe3O4@Ti3C2Tx composites with various Fe3O4 contents; (e) Three-dimensional representation of reflection loss values for 30wt% content of ferric tetroxide[79]ε'—Real part of the dielectric constant; ε''—Imaginary part of the dielectric constant; λ—Electromagnetic wave wavelength3.3 MXene/导电聚合物
聚合物成本较低、毒性小，与MXene结合后能进一步提高材料的稳定性、导电性和力学性能，因此被广泛应用于制备MXene基复合材料。MXene 和导电聚合物都具有良好的导电性，形成交织导电网络时产生的缺陷能增大欧姆损失，而MXene表面大量的极性官能团也易发生偶极极化，此外，由于电导率的不同，在接触面上形成了电荷的不均匀分布，加强了界面损失。两种材料的复合加强了电磁波的损失。Wei等[80]通过苯胺单体在MXene表面和内层上的原位聚合制备了具有多层夹层结构的MXene/聚苯胺(PANI)复合吸波材料； 由于Ti的多层结构和介电性能，当厚度为1.8 mm时，在13.8 GHz处，最大反射损失可达到−56.30 dB，有效吸收带宽(>90%)范围从X波段(8~12.4 GHz)到Ku波段(12.4~18 GHz)，可调厚度为1.5~2.6 mm。进入材料内部的电磁波遇到片层结构后会在内部经历多次反射而被削减；MXene片层上吸附的聚苯胺会导致电导率的损失和偶极极化，进而增加介电损耗；此外，多层结构的MXene/PANI能形成更多的导电通路，使MXene/PANI的每一层都可以等效于一个电阻-电容电路模型，因此，电磁波在内部以多种方式被削弱而达到较好的吸收性能。
需要指出的是，MXenes为活性过渡金属材料，表面官能团和缺陷的存在导致其在没有任何保护的环境下的稳定性较差，为解决这个问题，一种有效的途径就是对MXenes表面进行化学改性，一方面希望能获得更加稳定的MXenes材料，另一方面是能够增强MXene与聚合物之间的相互作用，延长复合材料的使用寿命。
3.4 微观结构设计
吸波材料通常是由吸波剂和透波基质组成，单独调控吸波剂的组分和含量一般难以调控阻抗匹配特性和电磁波衰减能力，此时，进行结构设计能进一步优化材料的吸波性能。结构设计可遵从3种设计理念：(1) 在高介电损耗材料中引入低介电常数的材料来改善材料的阻抗匹配特性；(2) 尽可能多的增加异质界面来增大界面极化损耗能力；(3) 构建层层堆叠结构，增大电磁波在片层间的反射和散射路径。目前，吸波材料中常见的结构类型主要有核壳、多孔、三明治结构。
3.4.1 核壳结构
核壳结构一般包括核层和外壳层，彼此通过化学键或其他相互作用包覆形成的有序组装结构的复合材料，其具有明显的协同效应[81]，且能够兼具内核材料及外层异质材料的物化特性，能够使多种材料电磁性能匹配互补。Liu等[82]通过导电微球聚吡咯(PPy)对Ti3C2Tx MXenes进行改性，制备了新的核壳状分层结构复合材料，显著提高了材料的吸波性能，结果显示，Ti3C2Tx MXene与PPy微球具有良好的协同效应，如图9所示材料在7.6 GHz处且厚度为3.6 mm时的最小反射损耗( RLmin)为−49.5 dB，有效吸收带宽为5.14 GHz， 最宽有效吸收带宽可达6.3 GHz(8.55~15.18 GHz)。除此之外，核壳结构还能改善提升材料的耐高温、耐腐蚀及抗氧化等综合特性，从而提高了材料的环境适应性，扩大了在吸波领域的应用前景。如，将二氧化硅包覆的二氧化锰纳米棒与未用二氧化硅包覆的二氧化锰纳米棒相比，其耐高温性能和对电磁波损耗性能得到了很大改善[83-84]。除了传统的球状结构以外，核壳结构还包括片层状结构、纳米环状结构、树枝状结构及其他不规整的构型等。还有一种常见的结构形式是在纤维的外部通过镀层的方法生长出壳层结构，例如通过化学镀法在玄武岩纤维外面镀上镍，极大地改善了复合材料的电磁性能，进而提高了材料的吸波性能。
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3.4.2 多孔结构
与实体材料相比，多孔材料的密度较小、比表面积大，根据孔的尺寸一般可以分为微米孔和纳米孔。电磁波可以在孔洞中发生多重反射，增大电磁波的传输距离，进而增强电磁波的损耗。多孔结构易于调控，常引入到介电损耗材料中改善吸波性能。Wang等[85]通过水热法和冷冻干燥处理，制备了三维多孔MXene Ti3C2Tx@RGO混合气凝胶，该气凝胶8.2 GHz处的最大反射损耗为−31.2 dB，当厚度仅为2.05 mm时的有效吸收带宽为5.4 GHz，优异的吸波性能归因于多孔结构的存在极大地改善了材料的阻抗匹配特性，且层层结构的堆叠有利于电磁波在内部的多重反射损耗。此外，多孔结构还可以与中空结构相结合，Wei等[86]通过化学气相沉积法和刻蚀等工艺制备了具有低密度和高比表面积的超轻多孔/中空纳米盒，仅用3wt%的填料即可实现优异的稀吸波性能，在厚度为2.2 mm时，最佳反射损耗为−30.46 dB。
3.4.3 多层类三明治结构
类三明治结构可以提供丰富的异质界面，增强材料的界面极化损耗能力，有利于电磁波在材料内部的多重反射。为了减少电磁波在材料表层的反射，增强电磁波的吸收，最外层通常采用阻抗匹配性能良好的涂层，内部采用损耗能力强的涂层。由于MXene和石墨烯具有天然的多层结构，因此被大量应用于构建三明治结构型吸波材料中。Han等[87]将Ti3C2Tx MXene作为前驱体，在800℃的CO2气氛中煅烧后制备了一种三明治结构的Ti3C2Tx衍生物C/TiO2，该MXene衍生复合材料保留了MXene的三明治层状结构，该结构有利于电磁波在材料内部的多重反射和散射，且丰富的界面和结构缺陷极大地增强了材料的极化弛豫损耗能力。材料厚度为1.7 mm时的最强反射损耗为−36 dB，有效吸收带宽EAB为5.6 GHz。研究人员[85]制备了具有分层三明治结构的新型石墨烯/Fe3O4/碳纳米管复合材料。该结构有效地阻止了石墨烯的团聚，且实现了超轻和超强吸收的特性。该复合材料的最小反射损耗为−50 dB，有效吸收带宽为4 GHz。
除了这3种结构以外，还有其他结构的存在，例如，Wang等[88]通过将花状金属-有机骨架材料(MOF)衍生物与二维柔性MXene薄片结合，成功制备了MOF衍生物/MXene交联网络，花状结构引起的界面极化和三维网络结构引起的电导率的损失使复合材料有显著的吸波效果，当CoO/Ti3C2Tx MXene-15配比时，厚度为1.90 mm时的最小反射损失为−52.3 dB，相应的有效吸收带宽为4.88 GHz。三维交联网状结构的构建也是实现高效微波吸收剂的有效策略。
3.5 宏观形态设计
3.5.1 MXene基薄膜
MXene基薄膜的成功制备改善了材料自身力学性能的同时也进一步提高了其电磁屏蔽和电化学性能。有机聚合物的加入，进一步增强了拉伸过程中MXene与聚合物之间的摩擦能损耗，从而改善了材料的韧性。此外，聚合物的加入不仅能降低杂化薄膜的电导率，有效地减少了由于阻抗不匹配引起的界面反射，从而增大了膜内对电磁波的吸收，也能防止薄片的重新堆积，有利于提高电化学性能。
MXene/聚合物复合材料具有优异的导电性、力学性能及优异的热稳定性，MXene/聚合物膜就是其中一种基本形式。聚合物的引入能有效地缓解MXene片层之间的堆积，防止片层被氧化的同时能够提高材料的稳定性。Ji等[89]利用流延成形工艺和层压铸膜的方式制备了不同MXene含量(2.5wt%~17.5wt%)的Ti3C2Tx MXene/聚合物膜(MPFs)并设计了多层结构的阻抗梯度吸收剂，该结构由阻抗匹配层、吸收层和屏蔽层组成，其中MXene的含量直接决定了MPFs材料的电磁波反射、吸收及屏蔽的能力(MPFs对电磁波的影响如图10所示)。研究表明，通过对每层厚度进行微调就能实现X波段的全部覆盖，且RLmin可达到−25.8 dB。He等[90]通过M-Ti3C2Tx与羟乙基纤维素(HEC)的过滤辅助自组装，成功制备了柔性绿色多层Ti3C2Tx/羟乙基纤维素(M-Ti3C2Tx/HEC)复合膜，该复合膜表现出优异的电磁干扰屏蔽特性，根据介电损耗分析表明，进入薄膜的电磁波主要以电子迁移引起的热能的形式耗散，此外，多层堆积厚度的影响表明，随着堆积厚度的减小，薄膜主要呈现以吸收为主的电磁干扰屏蔽趋势，该项工作为MXene基储能和绿色电磁干扰屏蔽材料的利用提供了新的研究思路。
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随着对MXenes的物理、化学性能的深入研究及对柔性多功能材料需求的不断增加，有关MXenes基薄膜综合性能的研究也越来越广泛，越来越多的研究者开始关注在控制电磁屏蔽干扰和超级电容器性能方面的研究[91]。
3.5.2 MXene基气凝胶
传统的粉末状吸收材料通常需要在高填充量下才能达到相应的吸波性能，但往往导致物理团聚且使材料密度较高。为解决这一问题，孔隙度高、比表面积大的宏观三维多孔气凝胶结构已发展成为轻质电磁波吸收(EMA)材料，该结构既能调节介电损耗和阻抗匹配，又能提高电磁波吸收频率的宽度，从而获得优异的EMA性能[92]。同时，空心多面体骨架的形成有效地阻止了二维Ti3C2Tx纳米片层的重叠，进一步扩大了特殊的表面积，有利于传导损失和极化损失[93]。
Cheng等[94]通过合成工艺制备了Ti3C2Tx MXene纳米片，然后在超声分散的作用下将羧甲基纤维素(CMC)加入其水溶液当中，经过磁力搅拌获得均匀的MXene/CMC溶液，最终通过冷冻干燥技术制备了MXene/CMC气凝胶。Xu等[95]选择壳聚糖(CS)和GO作为气凝胶骨架并将Co离子引入，利用定向冷冻干燥和碳化的方法成功制备了嵌有Co@C纳米颗粒的3D蜂窝状碳气凝胶。值得注意的是，该结构具有优异的EAM性能，当厚度为1.5 mm时，有效吸收带宽(>90%)为4.02 GHz(13.12~17.14 GHz)，强吸收达到−45.02 dB；此外优化后的气凝胶具有低密度、阻燃、抗压缩、高热管理等性能，实现了材料的多功能方向发展。Yang等[96]在MXene片层间引入明胶作为“化学胶”，再加入甲醛使明胶分子交联，利用单向冷冻干燥法成功制备了具有各向异性力学性能的3D Mxene@明胶纳米复合气凝胶单向排列的微观结构(如图11所示)，因此材料表现出显著的各向异性的EMA性能且平行方向的性能优于垂直方向，当MXene填充量为45wt%时，在14.04 GHz处的最小反射损失为−59.5 dB，有效吸收带宽为6.24 GHz 。气凝胶结构内部有较多孔洞，在形成超轻特性的同时使电磁波进入后能实现多次反射和折射，有利于削弱电磁波；此外，孔洞结构中存在大量的空气，有助于实现隔热的特性，因此也成为军事设备实现雷达隐身和红外隐身双重效果或保护电子设备免受高温攻击的关键。
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3.5.3 MXene基纤维织物
近年来，智能可穿戴设备已发展成为一项新兴的技术且需求量不断增加，其中导电材料起着关键性的作用；MXene材料具有高导电性 ，同时其表面基团能促进与纤维织物的紧密结合，已被广泛用于柔性和可穿戴电子设备的研究中。Wang等[97]用浸渍和水热法设计了Ti3C2Tx MXene/Ni链/ZnO混合纳米结构(其制备过程如图12(a)所示)，其中MXene纳米片与棉纤维表面紧密结合使其具有较高的介电性能，MXenes表面生长的ZnO可以缓解电磁波反射，通过改变ZnO列阵中混合的磁性镍链的个数，可以调节电磁参数(电磁波吸收机制如图12(b)所示)；得到的织物在8.3 GHz处，当厚度为2.8 mm时，最大吸收可达到−35.1 dB，其EAB可覆盖整个X波段，从而实现了较强的电磁波衰减能力和较宽的吸收带宽。Zhang等利用喷雾干燥涂层法将二维Ti3C2Tx纳米片均匀的沉积在纤维织物表面，通过改变喷涂干燥的周期能控制MXene的含量和导电网络形成的程度，由于其特殊的制备工艺，使材料保留了柔性和透气性。MXene材料的使用为研究多功能纺织品可穿戴设备的设计提供了新的思路。
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图 12 (a) MXene/Ni链/ZnO阵列棉织物的制备工艺示意图；(b) MXene/Ni链/ZnO阵列棉织物的电磁波吸收机制示意图[95]Figure 12. (a) Schematic illustration of preparation process of MXene/Ni chain/ZnO array cotton fabrics; (b) Schematic illustration of electromagnetic wave absorption mechanisms of MXene/Ni chain/ZnO array cotton fabrics[95]S—Superhydrophobic treatment; M—MXene; MN—MXene/Ni chain; MNZ—MXene/Ni chain/ZnO; M—Magnetization density; H—Magnetic field strength; fr—Frequency3.5.4 MXene基泡沫
新型吸波材料为满足“薄、轻、宽、强”的发展需求，除了在宏观上形成气凝胶结构外，还可以进行微观结构设计在满足较大吸收强度和宽度的同时实现厚度薄、质量轻的目标，尤其是多孔的泡沫纳米结构；一方面能降低密度，优化阻抗匹配，另一方面能够避免纳米结构的聚集，促进导电网络的形成。Li等[98]利用溶剂热实现了铁酞菁/Fe3O4在石墨烯骨架上的自组装，经过高温退火成功制备了耐腐蚀的石墨烯基碳涂层铁(Fe@C)磁性复合泡沫。该泡沫材料有稳定的微波吸收性能，其最大吸收强度可达到−72.46 dB，但降低材料密度的同时，不可避免地增加了材料的厚度。为解决“轻”、“薄”不相容的问题，Li等[63]用牺牲模板法将rGO包裹MXene制备了空心核壳结构和三维大孔泡沫，当厚度为3.2 mm时，EAB可覆盖整个X波段，而密度仅为0.0033 g·cm−3。Cheng等[99]通过静电自组装和浸涂吸附等工艺成功制备了Ni/MXene三维泡沫结构，有利于构建导电网络来调节阻抗匹配、磁损耗和介电损耗，实现电磁波的强吸收、红外隐身和阻燃于一身的多功能性。
4. 结论与展望
为进一步实现“薄、轻、宽、强”的发展目标，需将单一的MXene材料与其他成分进行复合，通过对组分和结构的设计，使复合吸波材料向着高性能、多功能的方向发展，同时应进一步探索在吸波过程中电磁能向热能的转化机制，并深入研究基于此结构设计的热点发电机的原理和应用，进而拓宽MXene复合材料的应用范围。尽管，目前对MXene在吸波领域上的研究取得了新的进展，因此，未来复合吸波材料的发展可以从以下几个方面进行尝试：
(1) 材料制备方面：目前存在的主要挑战是如何使用有效的剥离技术来控制MXene片层的厚度和尺寸，其开发安全、制备成本低、产量高的刻蚀方法仍是一个亟待解决的问题。MXene在长期使用中是不稳定的，需要进一步探讨氧化的机制及如何有效的延缓氧化的速度；
(2) 电磁波损耗机制方面。尤其是在缺陷诱导极化的研究中，目前研究较多的是阴离子空位引起的缺陷，如氧空位和硫空位，对阳离子空位的研究较少，在未来发展中，可以进一步阐明阳离子空位产生的影响。此外，界面极化效应也可以通过改变组分间的接触面积或者改变外部刺激条件(如加压、电场等)来实现；
(3) 结构模型方面。单独一层吸波材料并不能达到很好的吸波效果，需要进行合理的结构设计，可以在宏观上建立三维多孔结构、蜂窝状结构或者多层结构，微观上建立中空结构或者核-壳结构等，利用界面极化效应增大电磁波的多重反射和吸收，同时减轻材料的重量；
(4) 多功能方面。为了适应复杂环境，延长材料的使用寿命，在优化材料吸波性能的同时使其具有更多的功能，如耐油/水性、自清洁性、隔热、红外隐身、柔性、耐腐蚀等特性，拓宽了其应用领域；同时，材料的功能性应朝着智能化的方向发展，如材料受到破坏时，应具有一定的自愈能力，当材料废弃到环境中去时，可以实现自然降解等特性，除此之外，还应进一步探索其应用场景；
(5) 为了实现对电磁波的有效吸收，必须使电磁波更多的进入材料内部，由于吸收材料的厚度是电磁波的1/4波长的奇数倍，所以有必要探讨适当的透波层和吸波层的厚度的设计。
(6) MXene的亲水特性限制了与其他复合材料的结合，目前的介质局限于水，关于有机介质还有待研究。
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图 4 电磁波吸收机制示意图
Figure 4. Schematic diagram of electromagnetic wave absorption mechanism
EM—Electromagnetism
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图 7 (a) 在MXene的导电碳化物核心中迁移的电子；(b) 缺陷和纳米片层间跳跃电子的传输；(c) MXene导电网络中电子的传输；(d) MXene片层上的偶极极化；(e) MXene的多重反射图[68]
Figure 7. (a) Migrating electrons in conductive carbide core of MXene; (b) Hopping electron transport in defects and between nanosheets; (c) Electron transport in a MXene conductive network; (d) Dipolar polarizations in MXene conductive network; (e) Multi-refection diagram of MXene[68]
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图 8 (a) 不同厚度的Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料(25wt%)的反射损失(RL)曲线的频率依赖性；(b) 在l/4模型下，Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料(25wt%)的吸收体厚度(tm)与峰值频率(fm)的模拟结果；(c) Fe3O4@Ti3C2Tx(25wt%)的典型科尔-科尔半圆；(d) 不同Fe3O4含量的Fe3O4@Ti3C2Tx复合材料的磁滞回线；(e) 30wt%含量的Fe3O4反射损失值的三维图表示[79]
Figure 8. (a) Frequency dependence of reflection loss (RL) curves for Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%) with different thicknesses; (b) Simulations of the absorber thickness (tm) versus peak frequency (fm) for the Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%) under the l/4 model; (c) Typical Cole-Cole semicircles of Fe3O4@Ti3C2Tx composite (25wt%); (d) Magentic hysteresis loops of Fe3O4@Ti3C2Tx composites with various Fe3O4 contents; (e) Three-dimensional representation of reflection loss values for 30wt% content of ferric tetroxide[79]
ε'—Real part of the dielectric constant; ε''—Imaginary part of the dielectric constant; λ—Electromagnetic wave wavelength
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图 12 (a) MXene/Ni链/ZnO阵列棉织物的制备工艺示意图；(b) MXene/Ni链/ZnO阵列棉织物的电磁波吸收机制示意图[95]
Figure 12. (a) Schematic illustration of preparation process of MXene/Ni chain/ZnO array cotton fabrics; (b) Schematic illustration of electromagnetic wave absorption mechanisms of MXene/Ni chain/ZnO array cotton fabrics[95]
S—Superhydrophobic treatment; M—MXene; MN—MXene/Ni chain; MNZ—MXene/Ni chain/ZnO; M—Magnetization density; H—Magnetic field strength; fr—Frequency
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目的
电子设备的日益普及加剧了电磁波污染的问题，开发电磁波吸收材料能有效的保护人体和精密设备免受电磁波干扰，也能减少电磁波的二次污染，MXene因其自身的优异性能被用于制备高性能电磁波吸收材料。本文系统的总结了目前有关MXene的化学组成及其在吸波领域的研究进展，并根据其微观结构和宏观形态对MXene基复合材料进行了归纳和分析，最后总结出目前有关MXene基复合吸波材料存在的不足。
方法本文以综述的形式介绍了国内外关于MXene及其复合材料在电磁波吸收领域的研究进展，详细介绍了吸波材料的损耗机制，主要有介电损耗、磁损耗和欧姆损耗以及与MXene相关的吸波机制。根据复合材料的不同，将MXene基复合吸波材料主要分为MXene/羰基吸波材料、MXene/磁性纳米粒子吸波材料、MXene/导电聚合物等；最后从微观结构和宏观形态对MXene基复合吸波材料进行了分类 ，微观结构主要有核壳、多孔和类三明治结构，宏观形态主要分为MXene基复合膜、MXene基气凝胶、MXene 基泡沫以及MXene基纤维织物等形式。
结果从国内外关于MXene材料的研究结果来看，MXene纳米片层优异的电导率能引起极强的电磁损耗能力，刻蚀后的材料表面具有丰富的表面官能团能够调节MXene的表面性质，为化学修饰提供位点。此外单片层的MXene具有较大的比表面积能够提供足够的界面极化，三维气凝胶结构的研究能进一步增大电磁波在材料内部的反射路径，可用于更有效的电磁保护。
结论MXene具有数量可控的层状结构能够增强电磁波在片层之间的散射和反射路径，高导电性使其在构建导电网络和导电损失方面的效率大于GO，其轻质和高导电性能够满足新型吸波材料“薄、轻、宽、强”的发展要求，意味着MXene作为新型吸波材料能够更有效的实现电磁保护，此外，三维结构的构建既能实现轻质的需求，又能调节阻抗匹配，减少物理团聚的现象。
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