CN111916917B - 一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫 - Google Patents
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Abstract
一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，属于电磁功能材料技术领域。包括聚合物多孔泡沫，以及附着于聚合物多孔泡沫之上的MXene纳米片，其中，MXene纳米片以包覆形态、成膜形态和悬挂形态附着于多孔聚合物泡沫上，多孔聚合物泡沫的平均孔径≥500μm，多孔聚合物泡沫的厚度≤10mm，MXene纳米片填充质量小于吸收泡沫质量的50％。本发明利用MXene二维纳米片的超高导电性和在水溶液中的高分散性，通过与表面功能化的聚合物多孔泡沫复合，形成了兼顾大孔径和大吸收面积的三维网络结构，实现了0.3～1.65THz范围内高达99.99％以上的超高吸收率和低至0.00003％的极低反射率。
Description
技术领域
本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收结构，具体涉及一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1THz～10THz范围内的电磁波，波长在3mm～30μm之间。由于太赫兹波具有频谱资源丰富、光子能量低、相干性好、超宽带等许多优良特性，在雷达探测、安检成像、无损检测、生物传感以及即将到来的6G通信等方面显示出了巨大的应用潜力。随着太赫兹实际应用的快速发展，对高性能太赫兹波吸收材料的需求日益增强，尤其在雷达探测、电磁屏蔽、无线通信、测试仪器性能提升等方面都迫切需要大带宽、高吸收强度(>99％)的太赫兹吸收材料。例如，在太赫兹成像和通信的收发两端，均需要太赫兹吸波材料来大量减少旁瓣辐射或杂波；在太赫兹准光测试系统中，也需要太赫兹吸波材料来降低背景噪声，从而提高测试精度；更重要的是，在未来的雷达探测技术中，太赫兹吸波材料可以减少雷达散射截面(RCS)，进而赋予太赫兹系统以隐身的特性。最后，太赫兹吸波材料还可以显著降低周围环境的电磁辐射，对于提高环境质量、保障人们健康也是极为重要的。因此，宽带、高吸收效率以及低成本的太赫兹吸收材料对太赫兹技术的发展和应用有着重要的实际意义。
广义地说，电磁波吸波材料分为共振型吸波材料和宽带吸波材料两种。共振型吸波材料主要利用特定的人工结构在某一频点上与入射电磁波通过谐振效应来实现阻抗匹配，从而降低电磁波反射，同时利用电阻层或者反射层来降低透射，以此实现较高的电磁吸收。2008年，文献“H.Tao et al,A metamaterial absorber for the terahertz regime:design,fabrication and characterization,Optics Express,16:7181-7188,2008”公开的一种由电磁超材料构成的太赫兹吸收器就是共振型吸收材料的典型代表，其在1.3THz频点上的吸收强度达70％。在太赫兹波段，绝大多数的凝聚态物质对太赫兹波缺乏有效的电磁损耗和响应，使得太赫兹吸收材料主要是采用这种谐振型人工电磁结构。不过，谐振型吸收本质上是一种窄带吸收，适用于选择性、可调谐的太赫兹吸收场景。由于电磁超材料拥有极强的设计灵活性，通过复杂的单元结构设计、多单元组合以及多层堆叠等技术，也可以实现多频和一定带宽的太赫兹吸收材料。但是这需要精细的材料设计和复杂的微细加工技术，大面积制备非常困难，成本高昂，也很难同时实现大带宽、高吸收、大角度吸收、极化不敏感、可压缩和可弯曲等综合性能，不利于商业化的推广应用。
实现大宽带电磁波吸收材料的另一种方法是采用多孔结构，利用多孔结构表面具有近似于空气的电磁参数，使得太赫兹波可以直接进入样品内部，进而被内部的导电材料损耗吸收。基于多孔结构的宽带吸收材料在提高吸收率方面的困难主要有两个：(1)孔隙率的优化问题：较大的孔隙率有利于降低表面反射，但也意味着单位体积材料中吸收成分含量的变少，甚至过大的孔径会导致电磁波直接透过材料而不能被充分吸收。而目前大多数的吸收材料孔径一般都在100微米以下，并不能实现理想的减反射效果；(2)电导率的优化问题：在太赫兹波段，吸收主要来源于导电性物质的电损耗。然而，在保持多孔结构高孔隙率和稳定性的前提下，想要获得高电导率、大吸收面积和强吸收效果的电磁吸波材料是非常困难的。2017年，南开大学的陈永胜教授报道了基于三维石墨烯泡沫的太赫兹吸收材料，通过高温还原氧化石墨烯获得的三维导电网络实现了在0.2THz～1.2THz范围内的宽带吸收，反射损耗高达19dB，有效带宽可达95％。但是，为了提高石墨烯的电导率和太赫兹吸收效果，该材料需要1500℃高温退火处理，这不但加大了制备的难度，而且也使得该材料十分易脆，难以实用化。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的现有太赫兹波吸收器吸收强度低、机械稳定性差、制备工艺复杂、制作成本高昂等问题，提出了一种结构稳定、大宽带、强吸收的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。本发明利用MXene二维纳米片的超高导电性和在水溶液中的高分散性，通过与表面功能化的聚合物多孔泡沫复合，形成了兼顾大孔径(poreper inch，ppi)和大吸收面积的三维网络结构，实现了0.3～1.65THz范围内高达99.99％以上的超高吸收率和低至0.00003％的极低反射率。该吸收材料具有结构稳定、可压性好、可弯性强、超轻和较薄的优异性能，同时还具有制备成本低、工艺简单、可大面积制备的诸多优点，显示了十分突出的实际应用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其特征在于，包括聚合物多孔泡沫，以及附着于聚合物多孔泡沫之上的MXene纳米片，其中，MXene纳米片以包覆形态、成膜形态和悬挂形态三种主要形态附着于多孔聚合物泡沫上，多孔聚合物泡沫的平均孔径≥500μm，多孔聚合物泡沫的厚度≤10mm，MXene纳米片填充质量小于吸收泡沫质量的50％。
进一步地，通过调节MXene纳米片在吸收泡沫中的填充质量分数(≤50％)和多孔聚合物泡沫的孔径大小(300μm～3mm)，可以控制MXene纳米片三种主要形态(包覆、成膜、悬挂)的相对比例。其中，包覆形态是基本形态，始终属于占比最多的形态；10％～50％的MXene纳米片填充质量分数和300μm～650μm孔径大小的聚合物泡沫更容易形成成膜形态；10％～50％的MXene纳米片填充质量分数和650μm～1mm孔径大小的聚合物泡沫更容易形成悬挂形态。在0.3-1.65THz频率范围内，调整MXene纳米片三种主要形态(包覆、成膜、悬挂)的相对比例，得到包覆形态和悬挂形态为主的样品对太赫兹波的吸收率高达99.99％以上，反射率低至0.00003％。
进一步地，所述聚合物多孔泡沫具有非单一孔径尺寸的多孔结构，孔径在300μm～3mm之间不等，平均孔径≥500μm。
进一步地，所述聚合物多孔泡沫的密度为0.02～0.056g cm-3，重量很轻，且孔隙率≥85％。
进一步地，所述聚合物多孔泡沫包括但不限于聚氨酯海绵泡沫、聚酰亚胺泡沫、聚丙烯泡沫等。
进一步地，所述MXene(中文译为：迈科烯)是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，MXene纳米片由其前驱物MAX相通过刻蚀剥离得到，MXene材料包括但不限于Ti3C2Tx、Nb2CTx、Mo2TiC2Tx、Nb4C3Tx、Mo2Ti2C3Tx、V2CTx、Ti2CTx、Ti3CNTx等，其中Tx代表表面官能团，如：-OH、-F、-O等。
进一步地，所述MXene纳米片单片横向长度为0.05～30μm，厚度为3～20nm，电导率≥5,000S cm-1。
一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、配制含氟离子的酸性水溶液，并采用酸性水溶液刻蚀掉前驱物MAX中的A层，再反复离心洗涤得到多层MXene混合液；
步骤2、在步骤1得到的多层MXene混合液中加入插层剂，搅拌混合均匀，离心洗涤多次，得到MXene悬浮液；
步骤3、将孔径300μm～3mm、厚度≤10mm的聚合物多孔泡沫浸泡于步骤2得到的MXene悬浮液中，浸泡时间为5～30min，浸泡过程中，采用镊子挤压聚合物多孔泡沫数次(3次以上)；完成后，取出聚合物多孔泡沫，在常温常压条件下静置30min以上，直至样品表面没有MXene溶液滴下；
步骤4、将步骤3得到的样品放置于真空干燥箱中，在30～80℃下干燥12～36h，即可得到所述基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
进一步地，步骤1和步骤2制备MXene悬浮液的过程具体为：
(1)将盐酸、氢氟酸和去离子水混合均匀，得到刻蚀溶液；其中，盐酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4：1：2；
(2)在步骤(1)得到的刻蚀溶液中加入Ti3AlC2粉末，在室温下搅拌12～36h，刻蚀掉Ti3AlC2 MAX相中的Al层，得到Ti3C2Tx MXene酸性溶液；其中，每1mL刻蚀溶液中加入0.03～0.06g Ti3AlC2粉末；
(3)将步骤(2)得到的Ti3C2Tx MXene酸性溶液采用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液pH值为5～7，即可得到多层Ti3C2Tx MXene沉淀物；
(4)将步骤(3)得到的多层Ti3C2Tx MXene沉淀物分散到LiCl溶液中，搅拌1～4h后，用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液变黑；其中，LiCl溶液的浓度为0.000024～0.0007mol/mL，步骤(2)中每1g Ti3AlC2粉末对应50～150mL的LiCl溶液；
(5)将步骤(4)得到的沉淀物分散于去离子水中，得到均匀分散的Ti3C2Tx悬浮液；其中，Ti3C2Tx悬浮液中，Ti3C2Tx的质量浓度为0.1mg/mL～15mg/mL。
本发明的工作原理如下：
对于吸收材料，需要尽量降低表面反射和提高内部电磁波损耗。(1)当太赫兹波入射到太赫兹吸收泡沫的表面，由于泡沫本身的大孔结构(孔径大小为300μm～3mm，平均孔径≥500μm)，其电磁参数近似等于空气的电磁参数，太赫兹波因而几乎无反射地直接进入泡沫内部；(2)在吸收泡沫的内部，由于存在大小不一的孔径，MXene纳米片在泡沫骨架网络上自发构成的三种不同形态(包覆形态、成膜形态和悬挂形态)，这三种不同形态的MXene纳米片对入射的太赫兹波提供了大量的反射和散射，极大地增加了太赫兹波在吸收材料内部的传输路径；与此同时，成膜形态和悬挂形态的MXene纳米膜极大地提高了材料的吸收面积。更重要的是，由于MXene纳米片极高的电导率(电导率可达5,000S cm-1以上)，对太赫兹波的电损耗非常大，因此在泡沫内部对太赫兹波产生了很强的吸收。本发明提出的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，由于MXene纳米片超高的导电性、聚合物多孔泡沫本身较大的孔径(300μm～3mm)和MXene纳米片与多孔泡沫自发构成的三种主要导电网络形态(包覆、成膜、悬挂)，使其吸收率高达99.99％以上，反射率低至0.00003％，极大地提高了大孔泡沫样品对太赫兹波的吸收，有效降低了反射；其具体吸收过程如图1所示：①、④、⑥代表入射到吸收材料表面的太赫兹波，②、③、⑤、⑦、⑧表示太赫兹波在吸收材料内部的传播途径。当太赫兹波①垂直入射于MXene泡沫时，被附着于聚合物多孔泡沫骨架上面的MXene纳米片(包覆形态)内部的载流子(电子或空穴)所吸收，而反射的太赫兹波②入射到由纳米片所形成的MXene薄膜(成膜形态)后，又有一部分能量被载流子吸收，而剩余反射的太赫兹波③仍然继续在泡沫内部传播，直至最终被包裹在骨架上面的MXene纳米片(包覆形态)所全部吸收；当太赫兹波④经过较长的传播路径入射到悬挂在骨架上的纳米片(悬挂形态)后，有一部分能量会被载流子所吸收，而反射的太赫兹波⑤的能量则最终会被包覆在骨架上面的MXene薄膜(包覆形态)所全部吸收；当太赫兹波⑥垂直入射在悬挂的MXene薄膜(悬挂形态)时，会有极少一部分的太赫兹波⑦反射出去，被包覆于骨架上的MXene纳米片(包覆形态)所损耗吸收，而另一部分从悬挂的MXene薄膜透射/折射出去的太赫兹波⑧，在传播一段距离后，最终也会被另外的MXene薄膜(包覆形态)完全吸收。
根据以上原理可知，本发明中，聚合物多孔泡沫较大的多孔结构(孔径大小为300μm～3mm)、MXene纳米片的高导电性、纳米片在多孔结构内部高度的分散性和MXene纳米片与多孔泡沫自发构成的三种主要导电网络形态(包覆、成膜、悬挂)是影响太赫兹波吸收效率的重要因素。
与其他现有的太赫兹波吸收材料相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，具有宽带强吸收、低反射特性，在0.3-1.65THz测试频率范围内对太赫兹波的吸收率高达99.99％以上，反射率低至0.00003％；
2、本发明提供的一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，拥有优异的力学性能，可以任意角度拉伸、弯曲、扭曲、压缩；并具有良好的疏水性特性，疏水角可达120±2°，为其在恶劣环境中的应用提供了可行性；
3、本发明提供的一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，重量极轻，密度在0.02～0.056g cm-3范围内可调，且MXene纳米片填充质量分数≤50％；
4、本发明提供的一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其太赫兹吸收率可以通过改变MXene纳米片的载量(填充质量分数≤50％)及其3种分布形态(包覆、成膜、悬挂)的相对含量来实现调节；
5、本发明提供的一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，相比于现有的基于超材料和石墨烯泡沫的太赫兹波吸收器，具有制备工艺简单、成本低廉、易于实现等优点；还可制成与CMOS兼容的大尺寸器件，适合于大规模工业化生产和应用。
附图说明
图1为太赫兹波垂直入射于本发明基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫的原理示意图；其中，1表示多孔泡沫骨架，2表示MXene纳米片，3表示MXene纳米片与泡沫骨架结合自发形成的MXene薄膜，4表示包覆在泡沫骨架上面的MXene纳米片，5表示悬挂在泡沫骨架上面的MXene纳米片；①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧表示太赫兹波在吸收泡沫内部的传播途径；
图2为本发明实施例1得到的孔径大小为50ppi(约为650μm)、厚度为2mm、MXene纳米片填充量为2.8±0.5mg的太赫兹波宽带超强吸收泡沫的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的透射谱；
图4为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的反射谱；
图5为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱；
图6为本发明实施例1中具有不同孔径、厚度为2mm、MXene纳米片填充量为2.8±0.5mg的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱；
图7为本发明实施例3中具有不同厚度、孔径为50ppi、MXene纳米片填充量为2.8±0.5mg的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，本发明并不局限于该实施例。
实施例1
本实施例提供的基于MXene的不同孔径太赫兹波宽带超强吸收泡沫的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将盐酸、氢氟酸和去离子水混合均匀，得到63mL刻蚀溶液，其中，盐酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4：1：2；然后，将3g Ti3AlC2粉末缓慢加入到蚀刻溶液中，在室温下搅拌24h，选择性刻蚀掉Ti3AlC2 MAX相中的Al层，得到Ti3C2Tx MXene酸性溶液；
步骤二：在步骤一得到的Ti3C2Tx MXene酸性溶液中加入去离子水进行离心洗涤多次，直至上清液pH值为6，过滤分离，即可得到多层Ti3C2Tx MXene沉淀物；然后，将得到的多层Ti3C2Tx MXene沉淀物分散到180mL的LiCl溶液中，搅拌1h后，用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液变黑；其中，LiCl溶液的浓度为0.0004mol/mL；
步骤三：将步骤二得到的沉淀物分散在去离子水中，得到均匀分散的Ti3C2Tx悬浮液；其中，Ti3C2Tx悬浮液中，Ti3C2Tx的质量浓度为2mg/mL；
步骤四：将厚度相同(2mm)、孔径不同的聚氨酯海绵泡沫浸泡于步骤三得到的Ti3C2Tx悬浮液中，浸泡时间为25min，浸泡过程中，采用镊子挤压聚合物多孔泡沫数次(3次以上)；完成后，取出聚合物多孔泡沫，在常温常压条件下静置30min以上，直至样品表面没有MXene溶液滴下；其中，聚氨酯海绵泡沫的孔径为：35ppi(孔径大小约为1500μm)、50ppi(孔径大小约为650μm)、60ppi(孔径大小约为300μm)；
步骤五：将步骤四得到的样品放置于真空干燥箱中，在60℃下干燥12h，即可得到所述基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
实施例2
本实施例提供的具有不同MXene填充质量的太赫兹波宽带超强吸收泡沫的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将盐酸、氢氟酸和去离子水混合均匀，得到63mL刻蚀溶液，其中，盐酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4：1：2；然后，将3g Ti3AlC2粉末缓慢加入到蚀刻溶液中，在室温下搅拌24h，选择性刻蚀掉Ti3AlC2 MAX相中的Al层，得到Ti3C2Tx MXene酸性溶液；
步骤二：在步骤一得到的Ti3C2Tx MXene酸性溶液中加入去离子水进行离心洗涤多次，直至上清液pH值为6，过滤分离，即可得到多层Ti3C2Tx MXene沉淀物；然后，将得到的多层Ti3C2Tx MXene沉淀物分散到180mL的LiCl溶液中，搅拌1h后，用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液变黑；其中，LiCl溶液的浓度为0.0004mol/mL；
步骤三：将步骤二得到的沉淀物分散在去离子水中，得到均匀分散的Ti3C2Tx悬浮液；
步骤四：将厚度相同(2mm)、孔径大小相同(50ppi)的聚氨酯海绵泡沫浸泡于不同质量浓度(质量浓度分别为8mg/mL、4mg/mL、1.8mg/mL、1.4mg/mL、0.8mg/mL、0.3mg/mL、0.1mg/mL)的Ti3C2Tx悬浮液中，浸泡时间为30min，浸泡过程中，采用镊子挤压聚合物多孔泡沫数次(3次以上)；完成后，取出聚合物多孔泡沫，在常温常压条件下静置30min以上，直至样品表面没有MXene溶液滴下；
步骤五：将步骤四中得到的样品在真空干燥箱60℃条件下干燥12h，即制造形成了基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
实施例3
本实施例提供的基于MXene的不同厚度太赫兹波宽带超强吸收泡沫的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将盐酸、氢氟酸和去离子水混合均匀，得到63mL刻蚀溶液，其中，盐酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4：1：2；然后，将3g Ti3AlC2粉末缓慢加入到蚀刻溶液中，在室温下搅拌24h，选择性刻蚀掉Ti3AlC2 MAX相中的Al层，得到Ti3C2Tx MXene酸性溶液；
步骤二：在步骤一得到的Ti3C2Tx MXene酸性溶液中加入去离子水进行离心洗涤多次，直至上清液pH值为6，过滤分离，即可得到多层Ti3C2Tx MXene沉淀物；然后，将得到的多层Ti3C2Tx MXene沉淀物分散到180mL的LiCl溶液中，搅拌1h后，用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液变黑；其中，LiCl溶液的浓度为0.0004mol/mL；
步骤三：将步骤二得到的沉淀物分散在去离子水中，得到均匀分散的Ti3C2Tx悬浮液；其中，Ti3C2Tx悬浮液中，Ti3C2Tx的质量浓度为2mg/mL；
步骤四：将孔径相同(50ppi)、厚度不同(2mm、4mm、10mm)的聚氨酯海绵泡沫浸泡于步骤三得到的Ti3C2Tx悬浮液中，浸泡时间为30min，浸泡过程中，采用镊子挤压聚合物多孔泡沫数次(3次以上)；完成后，取出聚合物多孔泡沫，在常温常压条件下静置30min以上，直至样品表面没有MXene溶液滴下；
步骤五：将步骤四得到的样品放置于真空干燥箱中，在60℃下干燥12h，即可得到所述基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
图3为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的透射谱；从图中可以看出，随着MXene纳米片填充量的增加，吸收泡沫对太赫兹波的透射率在逐渐降低，最低可到约0.008％(纳米片填充量为10.5mg)，这表明MXene纳米片填充含量的多少对太赫兹波的透射有着重要的影响。
图4为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的反射谱。从图中可以看出，随着MXene纳米片填充量的增加，由于泡沫样品本身具有的大孔特点，使得其对太赫兹波的反射率始终维持在一个极低的范围内(<0.07％)。而当纳米片填充量到达10.5mg时，由于MXene纳米片本身的高导电性，反射率会有轻微的增加，但始终低于0.07％。这表明MXene纳米片填充含量的多少对太赫兹波的反射几乎没有影响，成功解决了因多孔泡沫的高导电性而产生的高反射率的问题。
图5为本发明实施例2中具有不同MXene纳米片填充量、厚度为2mm、孔径为50ppi的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱；根据图3所示的透射率和图4所示的反射率，不同样品的吸收率A＝1-R-T，得到图5所示的吸收谱。从图中可以看出，随着MXene纳米片填充量的增加，泡沫对太赫兹波的吸收率在逐渐上升，最高可到约99.99％以上(纳米片填充量为10.5mg)，这有力证明了MXene吸收泡沫对太赫兹波具有超强的吸收作用。
图6为本发明实施例1中具有不同孔径、厚度为2mm、MXene纳米片填充量为2.8±0.5mg的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱；从图中可以看出，在泡沫厚度为2mm的条件下，50ppi孔径的MXene泡沫比35ppi和60ppi孔径的泡沫拥有更高的太赫兹波吸收率，这表明50ppi孔径大小的泡沫是这三种不同孔径泡沫里面对太赫兹波的吸收效果最好的一种，且三种不同孔径大小的样品对太赫兹波均具有极强的吸收(吸收率≥90％)。
图7为本发明实施例3中具有不同厚度、孔径为50ppi、MXene纳米片填充量为2.8±0.5mg的太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz到1.65THz范围内的吸收谱。从图中可以看出，在孔径为50ppi的条件下，2mm、4mm和10mm厚度的吸收泡沫对太赫兹波的吸收率几乎一样，都大于99％，且2mm厚度的泡沫可达到99.99％的吸收率，这表明在50ppi孔径大小的情况下，厚度对样品吸收太赫兹波基本没有影响。
综上，实施例所制备的不同厚度、不同孔径(300μm～3mm)的MXene太赫兹波宽带超强吸收泡沫在0.3THz～1.65THz范围内均拥有极佳的太赫兹波吸收特性，其中，2mm厚度、50ppi孔径大小的样品对太赫兹波的吸收率高达99.99％以上，反射率低至0.00003％，是一种具有超强吸收、极低反射的太赫兹波大孔吸收泡沫。
Claims (5)
1.一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其特征在于，所述吸收泡沫包括多孔聚合物泡沫，以及附着于多孔聚合物泡沫之上的MXene纳米片，MXene纳米片以包覆形态、成膜形态和悬挂形态附着于多孔聚合物泡沫上，多孔聚合物泡沫的平均孔径≥500μm，多孔聚合物泡沫的厚度≤10mm，MXene纳米片填充质量小于吸收泡沫质量的50％；
通过调节MXene纳米片在吸收泡沫中的填充质量分数和多孔聚合物泡沫的孔径大小，控制MXene纳米片的包覆形态、成膜形态和悬挂形态的相对比例，进而调控吸收泡沫的太赫兹吸收率；当10％≤MXene纳米片填充质量分数＜50％且多孔聚合物泡沫的孔径大小为300μm～650μm时，形成成膜形态；当10％≤MXene纳米片填充质量分数＜50％且多孔聚合物泡沫的孔径大小为650μm～1mm时，形成悬挂形态；
所述多孔聚合物泡沫的孔径范围为300μm～3mm。
2.根据权利要求1所述的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其特征在于，所述多孔聚合物泡沫的密度为0.02～0.056g cm-3，孔隙率≥85％。
3.根据权利要求1所述的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其特征在于，所述多孔聚合物泡沫为聚氨酯海绵泡沫、聚酰亚胺泡沫或聚丙烯泡沫。
4.根据权利要求1所述的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫，其特征在于，所述MXene纳米片的单片横向长度为0.05～30μm，厚度为3～20nm。
5.一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、配制MXene悬浮液；
(1)将盐酸、氢氟酸和去离子水混合均匀，得到刻蚀溶液；其中，盐酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4：1：2；
(2)在步骤(1)得到的刻蚀溶液中加入Ti3AlC2粉末，在室温下搅拌12～36h，刻蚀掉Ti3AlC2 MAX相中的Al层，得到Ti3C2Tx MXene酸性溶液；其中，每1mL刻蚀溶液中加入0.03～0.06g Ti3AlC2粉末；
(3)将步骤(2)得到的Ti3C2Tx MXene酸性溶液采用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液pH值为5～7，即可得到多层Ti3C2Tx MXene沉淀物；
(4)将步骤(3)得到的多层Ti3C2Tx MXene沉淀物分散到LiCl溶液中，搅拌1～4h后，用去离子水反复离心洗涤多次，直至上清液变黑；其中，LiCl溶液的浓度为0.000024～0.0007mol/mL，步骤(2)中每1g Ti3AlC2粉末对应50～150mL的LiCl溶液；
(5)将步骤(4)得到的沉淀物分散于去离子水中，得到均匀分散的MXene悬浮液；其中，MXene悬浮液中，Ti3C2Tx的质量浓度为0.1mg/mL～15mg/mL；
步骤2、将孔径300μm～3mm、厚度≤10mm的多孔聚合物泡沫浸泡于步骤1得到的MXene悬浮液中，浸泡时间为5～30min，浸泡过程中，采用镊子挤压多孔聚合物泡沫数次；完成后，取出多孔聚合物泡沫，在常温常压下静置30min以上；
步骤3、将步骤2得到的样品放置于真空干燥箱中，在30～80℃下干燥12～36h，即可得到所述基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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