花状MoS2/Fe3O4材料的制备及其吸波性能研究

李文婷 童周禹 闫琦 李平鑫 姚向阳 赵兴波 马明亮

（1青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；2中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266033）

随着微波通讯技术的快速发展，微波通信设备的使用越来越频繁。电子设备在给人类生活带来方便的同时，产生的电磁波不仅对大自然的生存环境造成了污染，而且对人类的健康造成一定威胁。因此，开发一种具有强电磁波吸收并且宽吸收频率的新型吸波材料具有重要的意义。

目前，磁性微波吸收剂研究最多的是磁性金属合金材料和铁氧体材料。Fe3O4基磁性纳米材料因其成本低、易合成而受到广泛关注。但是，Fe3O4纳米颗粒容易聚集，从而降低了微波吸收性能。而且，Fe3O4纳米颗粒还具有较差的热稳定性，这可能导致失去单畴磁极或磁性材料的特殊性质，从而限制了Fe3O4基材料的广泛应用[1]。因此，为了合成具有优异的微波吸收特性的Fe3O4基磁性纳米材料，使用一些非磁性物质的表面改性或保护层途径的不同方法来提高其微波吸收性能。

最近，具有类似于石墨的层状结构的过渡金属二卤化物——二硫化钼（MoS2）在催化、储能和超级电容器领域引起了极大关注[2]。鉴于MoS2的半导体特性、介电损耗和纳米级特性（例如尺寸效应、表面效应和边界效应），可以将超薄二维MoS2纳米片用作微波吸收材料来衰减电磁波。此外，二维MoS2的大表面积可以促进电磁波进入吸收体，并进一步衰减入射波。

微波吸收材料的最新研究表明，对材料微观结构进行合理设计，有助于增加其吸收效率[2]。基于上述研究，本文通过水热法制备花状MoS2/Fe3O4吸波材料，探索提高吸收性能的有效途径，以期对相关研究提供指导。

1 实验材料与方法

1.1 实验原料与过程

六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O），聚丙烯酸钠，尿素，柠檬酸钠，钼酸钠（Na2MoO4），硫脲，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）购自国药集团化学试剂有限公司。

首先，采用文献[3]的方法制备Fe3O4纳米磁球。然后，将Na2MoO4（1.03g）、硫脲（0.86g）、SDBS（0.11g）和Fe3O4（0.10g）混合加入75mL蒸馏水中并超声搅拌10min，之后倒入特氟隆衬里的不锈钢高压釜中200℃保持24h，最后用磁铁分离所制备的产物，并用无水乙醇和去离子水洗涤，在-60℃下冷冻干燥得到最终产物花状MoS2/Fe3O4吸波材料。

1.2 性能测试及表征

采用Nova Nano SEM 450型扫描电镜观察材料的微观形貌。利用D/MAX-2500PCX型X射线衍射仪进行物相和组成测试，采用铜靶（λ=0.1541nm），扫描角度为10°-80°，扫描速率为4°/min。采用LakeShore 7307型振动样品磁强计，在室温下测试该材料的磁性，采用Agilent N5222A型矢量网络分析仪在2.0-18.0GHz内自由空间法测试材料的吸波性能。

2 结果与讨论

2.1 材料的形貌及结构表征

图1 花状MoS2/Fe3O4吸波材料SEM图：低倍（a）和高倍（b）

图1为花状MoS2/Fe3O4吸波材料的SEM。从图1（a）可看出，复合材料由Fe3O4纳米微球和三维球形花状MoS2组成。三维花状的MoS2是由随机排列的二维MoS2纳米片组成，紧密堆积在一起。大量的Fe3O4纳米微球被集成到三维MoS2中。从图1（b）可看出，Fe3O4纳米微球不仅在MoS2花瓣边缘上，还在二维MoS2纳米片的间隙中，直径大约100～150nm，纳米片的厚度约为70nm，这种复杂的混合结构可导致比表面积增加，有助于提高材料吸波性能。

为了研究样品的相和组成，同时对各阶段样品进行了的XRD测试。从图2（a）观察到，MoS2在2θ=14.0°，33.3°，39.6°，49.3°和59.0°处出现5 个衍射峰，分别对应（002），（100），（103），（105）和（110）晶面（JCPDS号037-1492）。对于Fe3O4纳米微球，分别在2θ=30.1°，35.6°，43.1°，53.5°，57.1°和62.7°处出现6 个衍射峰，对应（220），（311），（400），（422），（511）和（440）晶格平面，说明Fe3O4是以面心立方（fcc）尖晶石形式存在（JCPDS卡号74-0748），且没有发现除卡片峰以外的杂峰表明所制备的Fe3O4纯度高，晶型完整。值得注意的是，花状MoS2/Fe3O4吸波材料同时存在以上衍射峰，说明Fe3O4微球仍保持有良好的结晶性。但是，复合材料中Fe3O4组分的散射角小于纯Fe3O4的散射角。细微的偏差可能与Fe3O4和MoS2之间的相互作用有关，表明形成了稳定的MoS2/Fe3O4异质结构。

同时，在室温（300K）下对样品进行了VSM测试，图2（b）为Fe3O4纳米微球，花状MoS2/Fe3O4吸波材料的磁滞回曲线，Fe3O4纳米微球和花状MoS2/Fe3O4复合吸波材料的磁化饱和度分别为72.10、31.45emu/g。结果表明，随着复合材料中Fe3O4含量降低，饱和磁化强度明显降低。

图2 材料的XRD（a）和VSM（b）曲线

2.2 材料吸波性能表征

图3 花状MoS2/Fe3O4吸波材料的复介电/磁导率曲线（a）和三维反射损耗图（b）

图3（a）为花状MoS2/Fe3O4吸波材料的复介电常数和复磁导率曲线。在2.0-18.0GHz测试频率范围内，ε'值先从11.47减小到7.78后缓慢增大到9.79，ε''与其相反，从1.74逐渐增大到3.91 再减小到1.61。对于复磁率，保持与静态磁参数相对应的非常低的水平。图中μ''有一小部分负值，这主要受相应的介电弛豫行为影响。图3（b）表示花状MoS2/Fe3O4复合吸波材料的三维反射损耗图，研究了不同厚度下，其微波吸收性能的变化。由图可知，最小反射损耗随厚度的不同而不同。材料的吸波性能由反射损耗（RL）反映，可根据传输线理论获得：

其中，Zin是样品的输入阻抗，Z0是自由空间的阻抗，f是电磁波频率，d是样品的厚度，c表示微波在真空中的传播速度，μ0是真空中的磁导率，ε0是真空中的介电常数，εr和μr分别是样品的复介电常数和复磁导率。

据式（1）和（2）可知，吸波材料的微波吸收特性与其复介电常数和复磁导率密切相关。理论上RL＜-10dB的区域表示可吸收90%电磁波，又可视为有效吸收频段。可观察到该材料的最小反射损耗值在1.97mm厚度时为-54.21dB（11.34GHz），小于-10dB的频带为3.20GHz（10.15-13.35GHz）。另外，在4.58mm厚度时，最小反射损耗值可以达到-53.56dB（4.52GHz），有效吸收频带为3.89GHz。反映出花状MoS2/Fe3O4复合吸波材料在最小反射损耗值以及低填料含量和低厚度方面均表现出优异的性能。这主要因为花状结构赋予该吸波材料更多的介电损耗，比如Fe3O4-Fe3O4，MoS2-Fe3O4和MoS2-MoS2等多种介电弛豫。同时入射的电磁波会在多个MoS2片层之间多次反射和散射，增加了传播路径，可以进一步提高吸收能力[4]。

同时，阻抗匹配（Z）在实现良好的电磁波吸收性能方面也起着重要作用[5]。Z由相对输入阻抗（|Zin/Z0|）表示，通过以下公式定义：

理论上，当Z值接近1 时，入射波可以最大程度地进入微波吸收器的内部，这表明电磁波可最大程度转化为热能或其他形式的能量。图4（a）显示Z值为1的相对输入阻抗曲线，用黄色虚线表示。当厚度在1.97mm和2.00mm（11.5-14GHz）时，吸波材料的Z值非常接近1。结果表明，花状MoS2/Fe3O4复合吸波材料的Z值也决定了其优异的吸波性能。为了评估材料总体损耗的能力，使用式（5）进一步计算衰减常数（α），这是电磁波幅度衰减的概念特征。

其中，f和c分别代表光的频率和速度。

从 图4（b）可 以 看 出，在10.18-14.08GHz和15.05-18.0GHz的频带内，α值都高于100，表示入射波具有良好的衰减效果，并且在11.72GHz时达到最大值210.35。研究表明，吸收体的介电损耗主要由偶极极化、界面极化、导电损耗和多重反射决定。同时，由于MoS2片层的高表面积促进了偶极子的产生，因此，实现了增强的偶极子极化弛豫[6]。

图4 花状MoS2/Fe3O4复合吸波材料的阻抗匹配（a）和衰减系数（b）曲线

3 结论

1）本文通过水热法合成新颖的花状MoS2/Fe3O4吸波材料，三维花状的MoS2由随机排列的二维MoS2纳米片组成，大量的Fe3O4纳米微球被集成到三维MoS2中，直径大约在100～150nm，纳米片的厚度约为70nm。

2）在2.0-18.0GHz频段内，所制备的复合吸波材料具有较高介电损耗和磁损耗，同时达到材料的最佳阻抗匹配，显示出优异的吸波性能，最低反射损耗在11.34GHz可以达到-54.21dB，有效吸波频段达到3.2GHz（10.15-13.35GHz），表明该材料在微波吸收领域有着较好的应用前景。