磁性合金/MoS2纳米片设计及电磁特性研究

作     者：肖伟 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王敦辉

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：低频 吸波材料 磁性合金 MoS2 阻抗匹配 

摘      要：二维纳米材料由于具有高的比表面积、低的密度和优异的物理化学性质,使其在物理化学、电子、材料等领域得到广泛的应用。常见的二维材料有:石墨烯、MXenes、MoS纳米片、层状双氢氧化物（LDHs）以及过渡金属硫族化合物（TMDs）。二维材料层内的原子一般都以强共价键进行结合,其层间通过范德华作用力形成三维块状结构,而层间的范德华作用力一般比较小,通过简单的剥离手段就可以得到单层或者少层的纳米片。对于MoS纳米材料,在电磁波吸收领域已经被证明是一种不错的吸波材料,但也存在一些其固有的问题,如缺乏电损耗和磁损耗,本文主要通过离子插层的方法通过改变MoS纳米片层间距以及引入磁性合金对MoS基复合物的电磁特性进行调控。 首先,采用电化学离子插层技术剥离辉钼矿获得单层或少层2H相的MoS纳米片,再通过水热法使得FeNi合金颗粒与MoS纳米片复合制备FeNi/MoS复合物。FeNi/MoS复合物在匹配厚度3.21 mm,频率5.72 GHz时最小反射损耗（reflection loss,RL）为-60.12 d B;复合物在匹配厚度1.69 mm时,有效吸收带宽6.44 GHz。另外又将FeCo合金插入MoS纳米片层间制得FeCo/MoS复合物。复合物FeCo/MoS在匹配厚度2.55 mm,频率6.56 GHz时得到最小RL为-60.54 d B,在厚度为1.23 mm时,复合材料的有效吸收带宽为4.64 GHz。通过复合物FeCo/MoS和复合物FeNi/MoS比较得知,两者的最小RL值都在低频频段,并且复合物FeCo/MoS在更薄的厚度下得到更佳的反射损耗。由此可知,MoS纳米片与磁性材料复合后构建了异质结构,磁性合金不仅在MoS纳米片表面复合,还有一部分进入MoS片层之间,有利于电子传输,进一步增加了电导损耗,磁性材料的引入增加了复合物的磁损耗,从而使得MoS基复合物获得了较好的阻抗匹配和电磁波衰减性能,但其在低频电磁波吸收领域还有优化的空间。 其次,探究了磁性CoNi合金颗粒对MoS基复合物的电磁损耗的影响。通过水热法将CoNi合金颗粒与MoS纳米片复合制备CoNi/MoS复合物。通过改变MoS纳米片的含量优化复合物的电磁波吸收性能,调控了复合物的介电损耗和磁损耗能力,实现了更优的阻抗匹配和电磁波衰减能力。最终获得的CoNi/MoS复合物在匹配厚度2.79 mm,频率5.72 GHz时得到最小RL为-55.46 d B,在厚度为1.20 mm时,复合材料的有效吸收带宽为4.28 GHz。因此得到的CoNi/MoS复合物在较薄的厚度可以实现低频电磁波吸收,但电磁波有效吸收带宽有待进一步改善。 最后,研究了磁性三元FeCoNi合金对MoS基复合物电磁特性的调节。FeCoNi合金颗粒插入MoS层间,获得FeCoNi/MoS复合物。同样通过改变MoS纳米片的含量来调节复合物的电磁波吸收性能,由于三元FeCoNi合金颗粒增加了复合物的电子传输能力,提升了电导损耗和磁损耗能力,从而进一步提升提高了复合物的电磁波衰减性能。当添加70 mg MoS纳米片时,FeCoNi/MoS复合物在匹配厚度3.29 mm,频率4.20 GHz时得到最小RL值为-54.73d B,在厚度为1.32 mm时,FeCoNi/MoS复合物的有效吸收带宽为4.72 GHz;当添加40 mg MoS纳米片时,FeCoNi/MoS复合物在匹配厚度2.43 mm,频率5.48 GHz时得到的最小RL为-50.54 d B。实现了FeCoNi/MoS复合物在低频区的高效强吸收,并获得了较宽的有效吸收带宽。 本文设计了磁性FeNi、FeCo、CoNi和FeCoNi合金与MoS纳米片的复合物,分析了四种磁性合金颗粒、异质界面以及复合物组分比例对磁性合金/MoS复合物的阻抗匹配特性、电磁波衰减能力以及低频吸收特性的影响规律,获得了在低频区的高效强吸收材料,并拓宽了有效吸收带宽,揭示了二维异质结构电磁波吸收材料的损耗机制,为设计新型低频吸波材料提供了思路。