一种高熵MAX相吸波材料及其制备方法

一种高熵max相吸波材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于吸波材料制备技术领域，具体涉及一种高熵max相吸波材料及其制备方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.通信技术的发展在给人们的生活带来极大便利的同时，电磁辐射的影响也越来越大，给人们的健康和自然环境带来极大危害。因此，研究新型的吸波材料以应对复杂的电磁环境具有十分重要的意义。吸波材料在减少电磁辐射的污染的同时，也广泛应用于多种民用和军用领域，例如雷达隐身材料、微波暗室、电磁波衰减元器件及可穿戴设备等。因此，吸波材料是电磁辐射防护、电磁干扰防护、电磁信息泄露防护、军事隐身等技术领域重要的材料之一。
4.max相是一种具有结构和性能多样性的纳米层状三元化合物，呈六方对称结构(p63/mmc)，具有m
n 1
axn的分子通式。其中m为过渡族金属，a为iiia、iva、va或via族元素，x为c或n原子，n的值可为1、2、3或4。由于max相中具有共价、离子和金属三种化学键，因此max相往往兼具金属良好的延展可切削性、导热导电性、相对柔性和优良的损伤容限以及陶瓷的高熔点、高温抗氧化性、良好的高温稳定性和抗热震等。
5.在电磁波吸收领域，目前为止，大量学者对max相的吸波能力进行了探究。研究发现，max相往往具有优良的吸波性能，如ti2sic2、cr2alc等。而通过元素掺杂来改变材料的组分结构，对于调控max相材料体系的性能具有重要意义。近年来，高熵陶瓷由于可以通过设计组分丰富的多主元固溶体来改善材料性能，因而受到广泛关注。max相材料具有丰富的化学多样性，可以通过m位、a位和/或x位获得多组元固溶的max相固溶体，从而有利于通过不同元素的加入对其性能进行大范围控制，因此具有良好的性能调控空间。但发明人发现，目前还没有关于高熵max相成分与电磁吸收性能的研究及报道。


技术实现要素：

6.为了克服上述技术问题，本发明提供一种m位和/或a位元素组合的高熵max相吸波材料。本发明以元素粉末为原料，通过配方中各元素的调配技术，实现材料的吸波性能，同时制备工艺简单且操作过程灵活，具有良好的实际应用之价值
7.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
8.本发明的第一个方面，提供一种高熵max相吸波材料，所述高熵max相吸波材料其名义分子式为m
n 1
axn；
9.其中，m为选自iiib、ivb、vb和vib族元素中的至少四种元素；
10.a为选自iiia、iva、va和via族元素中的至少一种元素；
11.x为碳元素，且n为1～3中的任意正整数。
12.需要说明的是，本发明所述高熵max相吸波材料，其中同一位中元素配比可以根据实际需求进行调控，且具有六方晶系结构，晶胞由m
n 1
xn单元与a层原子在c方向交替堆垛而成，并通过m位四种以上元素组合的设计形成高熵合金。
13.本发明的第二个方面，提供上述高熵max相吸波材料的制备方法，所述方法包括：
14.s1、按照高熵max相吸波材料的名义化学式的中各元素的化学计量比确定含有各元素粉末的需求量，粉末包括m单质粉末、a单质粉末和碳粉；
15.s2、将步骤s1中m单质粉末与碳粉混合后进行烧结处理；
16.s3、将步骤s2制得烧结产物与a单质粉末混合后进行烧结处理。
17.本发明的又一具体实施方式中，所述制备方法还包括将步骤s3烧结后制得产物(疏松块体)进行研磨或球磨处理即得高熵max相吸波材料。
18.本发明的第三个方面，提供上述高熵max相吸波材料在电磁辐射领域中的应用。
19.具体的，所述应用包括但不限于雷达隐身材料、微波暗室、电磁波衰减元器件和可穿戴设备。
20.上述一个或多个技术方案的有益技术效果在于：
21.1)上述技术方案以元素粉末为原料，通过配方中各元素的调配技术，实现材料的吸波性能。获得的高熵max相吸波材料具有纯度高、吸波能力强、吸收频带宽的优点，经分析表明制备得到的高熵max相吸波材料的最低反射损耗不高于-46.36db；最大吸收频带宽不低于3.8ghz；
22.2)上述技术方案提供的制备方法，选用粉末冶金方法，工艺简单，生产效率高，不仅解决了大批量生产的问题，而且能耗低，生产成本低，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1为本发明实施例1制备出的高熵max相吸波材料的x射线衍射图谱；
25.图2为本发明实施例1制备出的高熵max相吸波材料的扫描电镜照片及原子分布图；其中，(a)为扫描电镜照片，(b)-(h)依次为mo、cr、nb、ti、v、al和o的原子分布图；
26.图3为本发明实施例1制备出的高熵max相吸波材料的透射电镜照片及电子衍射谱图；其中，(a)为hrtem照片，(b)为电子衍射谱图；
27.图4为本发明实施例2制备出的高熵max相吸波材料的x射线衍射图谱；
28.图5为本发明实施例2制备出的高熵max相吸波材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
31.如前所述，目前还没有关于高熵max相成分与电磁吸收性能的研究及报道。
32.有鉴于此，本发明提出一种m位和/或a位元素组合的高熵max相吸波材料，在现有材料体系的发展基础上提供一种新型高熵max相吸波材料的设计理念与制备方法，该制备方法具有原料来源丰富、工艺简单且操作过程灵活等特点。
33.具体的，本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种高熵max相吸波材料，所述高熵max相吸波材料其名义分子式为m
n 1
axn；
34.其中，m为选自iiib、ivb、vb和vib族元素中的至少四种元素；
35.a为选自iiia、iva、va和via族元素中的至少一种元素；
36.x为碳元素，且n为1～3中的任意正整数。
37.需要说明的是，本发明所述高熵max相吸波材料，其中同一位中元素配比可以根据实际需求进行调控，且具有六方晶系结构，晶胞由m
n 1
xn单元与a层原子在c方向交替堆垛而成，并通过m位四种以上元素组合的设计形成高熵合金。
38.本发明的又一具体实施方式中，所述m为选自钼、钛、钒、铬、铌、铪和钽元素中的至少任意四种元素，如任意四种元素或五种元素。
39.本发明的又一具体实施方式中，m中的四种元素其摩尔比可以为0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1；优选为1:1:1:1。
40.本发明的又一具体实施方式中，m中的五种元素其摩尔比可以为0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1；优选为1:1:1:1:1。
41.所述a为铝、锗、硅、锡和硫元素中的至少一种元素。
42.本发明的又一具体实施方式中，提供上述高熵max相吸波材料的制备方法，所述方法包括：
43.s1、按照高熵max相吸波材料的名义化学式的中各元素的化学计量比确定含有各元素粉末的需求量，粉末包括m单质粉末、a单质粉末和碳粉；
44.s2、将步骤s1中m单质粉末与碳粉混合后进行烧结处理；
45.s3、将步骤s2制得烧结产物与a单质粉末混合后进行烧结处理。
46.其中，所述步骤s1中，
47.m单质粉末为选自iiib、ivb、vb和vib族元素中的至少四种元素单质粉末；
48.a单质粉末为选自iiia、iva、va和via族元素中的至少一种元素单质粉末；
49.原料的需求量中m元素、a元素和碳元素的摩尔比为(n 1):(1.2～2):(n-0.9～n)，其中，n为1～3中的任意正整数，即为1、2或3。
50.所述m为选自钼、钛、钒、铬、铌、铪和钽元素中的至少任意四种元素。
51.本发明的又一具体实施方式中，m中的四种元素其摩尔比可以为0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1；优选为1:1:1:1；
52.本发明的又一具体实施方式中，m中的五种元素其摩尔比可以为0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1:0.1～1；优选为1:1:1:1:1。
53.本发明的又一具体实施方式中，所述a为铝、锗、硅、锡和硫元素中的至少一种元素。
54.本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s2中，为方便混合顺利进行，可采用研磨或球磨混合方式进行；
55.烧结需要在保护气氛(如氩气)或真空条件下进行，所述烧结处理条件包括：烧结温度控制为1200℃～1800℃，烧结时间为1～6h。
56.本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s3中，为方便混合顺利进行，可采用研磨或球磨混合方式进行；
57.烧结需要在保护气氛(如氩气)或真空条件下进行，所述烧结处理条件包括：烧结温度控制为800℃～1600℃，烧结时间为0.5～3h。
58.本发明的又一具体实施方式中，所述制备方法还包括将步骤s3烧结后制得产物(疏松块体)进行研磨或球磨处理即得高熵max相吸波材料。
59.本发明的又一具体实施方式中，提供上述高熵max相吸波材料在电磁辐射领域中的应用。
60.本发明的又一具体实施方式中，所述应用包括但不限于雷达隐身材料、微波暗室、电磁波衰减元器件和可穿戴设备。
61.以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中为注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。
62.实施例1：
63.在该实施例中，制备出高熵max相吸波材料。具体的步骤如下：
64.1)按照摩尔比mo:cr:nb:ti:v:al:c＝0.8:0.8:0.8:0.8:0.8:1.9:2.5配制粉末；
65.2)将步骤1)中m单质粉末与碳粉研磨混合；
66.3)将步骤2)中得到的混合粉末放置于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5℃/min升温至1600℃，保温3h后，随炉冷却；
67.4)将步骤3)烧结后的产物与a单质粉末研磨混合；
68.5)将步骤4)得到的混合粉末转至于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5℃/min升温至1400℃，保温1h后，随炉冷却，将冷却后所得疏松块体取出研磨，即得到本发明的高熵max相(mo
0.2
cr
0.2
nb
0.2
ti
0.2v0.2
)4alc3吸波材料。
69.得到的高熵max相粉体材料的成分与微观形貌，分别参考图1、图2和图3所示的x射线衍射图谱、扫描电镜照片和透射电镜照片。
70.将上述吸波材料与石蜡按75:25比例混合，压制成标准环，测试其介电常数和磁导率，计算当厚度为1.6mm时，在2～18ghz频率下的最低反射损耗为-46.36db，反射损耗在-10db以下时最大吸收频带宽为3.8ghz。
71.实施例2：
72.在该实施例中，制备出高熵max相吸波材料。具体的步骤如下：
73.1)按照摩尔比mo:cr:ti:v:al:c＝1:1:1:1:2:2.1配制粉末；
74.2)将步骤1)中m单质粉末与碳粉研磨混合；
75.3)将步骤2)中得到的混合粉末放置于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5
℃/min升温至1650℃，保温2h后，随炉冷却；
76.4)将步骤3)烧结后的产物与a单质粉末研磨混合；
77.5)将步骤4)得到的混合粉末转至于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5℃/min升温至1500℃，保温1h后，随炉冷却，将冷却后所得疏松块体取出研磨，即得到本发明的高熵max相(mo
0.25
cr
0.25
ti
0.25v0.25
)4alc3吸波材料。
78.得到高熵max相粉体材料，其成分和微观形貌分别参考图4和图5所示的x射线衍射图谱和扫描电镜照片。
79.将上述吸波材料与石蜡按75:25比例混合，压制成标准环，测试其介电常数和磁导率，计算当厚度为1.6mm时，在2～18ghz频率下的最低反射损耗为-17.78db，反射损耗在-10db以下时最大吸收频带宽为2.3ghz。
80.实施例3：
81.在该实施例中，制备出高熵max相吸波材料。具体的步骤如下：
82.1)按照摩尔比mo:cr:nb:ti:v:al:c＝1:1:1:1:1:1.5:2.3配制粉末；
83.2)将步骤1)中m单质粉末与碳粉研磨混合；
84.3)将步骤2)中得到的混合粉末放置于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5℃/min升温至1650℃，保温3h后，随炉冷却；
85.4)将步骤3)烧结后的产物与a单质粉末研磨混合；
86.5)将步骤4)得到的混合粉末转至于刚玉坩埚中，在ar气氛条件下，升温速度为5℃/min升温至1300℃，保温2h后，随炉冷却，将冷却后所得疏松块体取出研磨，即得到本发明的高熵max相(mo
0.2
cr
0.2
nb
0.2
ti
0.2v0.2
)4alc3吸波材料。
87.将上述吸波材料与石蜡按80:20比例混合，压制成标准环，测试其介电常数和磁导率，计算当厚度为1.0mm时，在2～18ghz频率下的最低反射损耗为-40.52db，反射损耗在-10db以下时最大吸收频带宽为2.9ghz。
88.最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。