深圳大學(xué)閆培光教授團(tuán)隊(duì)、國防科技大學(xué)楊俊波教授團(tuán)隊(duì)、西南大學(xué)吳加貴教授團(tuán)隊(duì)和軍事科學(xué)院梁一鳴團(tuán)隊(duì)共同設(shè)計(jì)了一款柔性可穿戴、紅外隱身兼容電磁屏蔽的復(fù)合紡織品器件。這款復(fù)合紡織品的紅外發(fā)射率低至0.1，在一定加熱溫度下最低發(fā)射率更低至0.07。它能夠耐高溫至500 °C，并實(shí)現(xiàn)紅外隱身。在X波段（8~12.4 GHz）和Ka波段（26.5~40 GHz）的電磁屏蔽效能分別高達(dá)71.8 dB和75.02 dB，透過率低于10-7。此外，這款復(fù)合紡織品在太赫茲波段也有一定的電磁屏蔽效能，具有阻燃性和彎曲可穿戴特性，無論在軍事還是民用領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。該研究成果已在Advanced Optical Materials期刊發(fā)表，深圳大學(xué)與國防科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生陳明星為第一作者，閆培光教授、楊俊波教授、吳加貴教授和梁一鳴老師為共同通信作者。

Ti3C2Tx是一種二維碳氮化物過渡金屬材料，因其高導(dǎo)電性和多活性基團(tuán)而備受關(guān)注。當(dāng)前，這種材料已被應(yīng)用于電磁屏蔽、熱管理等多個(gè)領(lǐng)域。然而，隨著柔性智能設(shè)備的發(fā)展，Ti3C2Tx在柔性智能領(lǐng)域上受到了限制。此外，由于雷達(dá)探測和紅外探測方法的不同，目前能夠兼容紅外隱身和電磁屏蔽多波段應(yīng)用的材料非常少。 研究團(tuán)隊(duì)成功制備了一種具有紅外隱身和微波電磁屏蔽作用的復(fù)合紡織品，并對其性能進(jìn)行了詳細(xì)測試。該復(fù)合紡織品在紅外波段表現(xiàn)出極低的發(fā)射率，在X波段、Ka波段和太赫茲波段均具有較高的電磁屏蔽性能；

此外，該紡織品還具有其他應(yīng)用特性，如柔性可穿戴、阻燃性和耐高溫性等，這些全新特性使其具有高溫環(huán)境使用、表面自由包覆并能防火等功能。這一研究為紅外隱身、電磁屏蔽以及柔性穿戴等領(lǐng)域提供了新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)支持。 如圖1所示，制備的Ti3C2Tx復(fù)合碳布紡織品具有紅外隱身所需的低發(fā)射率以及微波電磁屏蔽所需的低透過率的特點(diǎn)。該紡織品表面覆蓋有金納米顆粒，通過短時(shí)間的磁控濺射過程制成。當(dāng)電磁波照射到紡織品表面時(shí)，部分電磁波會被反射到表面外，而更多電磁波會進(jìn)入Ti3C2Tx層并被多次反射、折射和衰減。碳納米纖維布（簡稱“碳布”）作為微波反射層，能夠?qū)⒌竭_(dá)碳布的電磁波反射回Ti3C2Tx層，從而使得最終透射出去的電磁波極少，達(dá)到優(yōu)良的電磁屏蔽效果。

在評估電磁屏蔽效能時(shí)，電磁屏蔽總效能（EMI SE）是一個(gè)重要的指標(biāo)。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)部分將詳細(xì)闡述這一指標(biāo)。該紡織品的EMI SE超過了70 dB，證實(shí)了其優(yōu)秀的電磁屏蔽效能。此外，在紅外波段，由于表面是金納米顆粒的存在，阻礙了自身紅外輻射的傳播。大量紅外輻射被反射和散射，使得遮蔽物與背景紅外輻射融為一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了紅外隱身效果。實(shí)現(xiàn)紅外隱身兼容電磁屏蔽功能是本次工作中Ti3C2Tx復(fù)合碳布紡織品的主要應(yīng)用。

圖1 原理及應(yīng)用 該團(tuán)隊(duì)將Ti3C2Tx二維過渡金屬材料與碳布結(jié)合，通過真空過濾法或浸泡法進(jìn)行制備，如圖2所示。Ti3C2Tx材料是MXene材料的一種，其二維形貌、表面等具有足夠的官能團(tuán)，且導(dǎo)電性強(qiáng)，導(dǎo)電面積大，在研究中通過一些方式如真空過濾法、浸泡法等易于與其他材料形成復(fù)合材料，以提高目標(biāo)材料的物理和化學(xué)性能。

圖2 制備方法：(a)真空過濾法；（b）浸泡法 采用紅外熱成像儀觀察時(shí)，樣品本身的表面溫度顏色與背景溫度顏色融為一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)紅外隱身。將制備出的樣品進(jìn)行檢測，放在加熱臺加熱，并用膠帶把樣品粘在加熱臺的鋁板上，樣品的表面溫度與膠帶溫度形成對比。在樣品上貼上膠帶，除了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度對應(yīng)的顏色對比作用，還能夠?qū)悠饭潭ㄔ诩訜崤_上。 本次實(shí)驗(yàn)采用的加熱臺板是鋁板，其本身對于紅外就是低吸收，所以除了膠帶包裹的樣品顏色較暗，膠帶周圍外的顏色也較暗，這是鋁板對于紅外低吸收的緣故。從圖3(a)~圖3(f)可知，所制備出的Ti3C2Tx復(fù)合碳布紡織品的紅外成像與周圍的顏色差距不大，顏色基本一致，且加上金納米顆粒后紅外圖像顏色與周圍環(huán)境顏色差距更小。再結(jié)合圖3(g)測試的傅里葉變換紅外光譜儀數(shù)據(jù)來看，在3-15 μm紅外波段其吸收率低至0.1，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外隱身效果。圖3(h)采用熱重分析儀進(jìn)行測試，總體來看失重率不高，在555 ℃時(shí)失重速率最大，由此可確定，該復(fù)合紡織品可耐高溫500 ℃。

此外，本次工作輔以紅外熱成像儀直接測試復(fù)合紡織品在不同溫度下的紅外發(fā)射率，如表1所示。因?yàn)榧t外熱像儀主要的紅外窗口為8~14 μm，這也是紅外探測器主要的工作范圍，故只要在這個(gè)范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)低紅外發(fā)射率，基本上就能夠大多數(shù)的市場應(yīng)用。

表1 紅外發(fā)射率測試

圖3 碳布+Ti3C2Tx+Au及未鍍金的紅外熱成像圖、FTIR測試以及熱重分析 電磁屏蔽，就是降低電磁波的透過率，通過大量的反射和吸收來降低透過率是常用的科學(xué)策略。因?yàn)門i3C2Tx內(nèi)部是層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有層間距，這樣當(dāng)微波打入到Ti3C2Tx材料時(shí)，能夠被大量吸收且內(nèi)部多次反射，實(shí)現(xiàn)信號的大量衰減。此外，根據(jù)紅外隱身工作的結(jié)果，在Ti3C2Tx最外層加上一層金，金能夠很好地反射微波，也能夠很好地提高電磁屏蔽性能。根據(jù)這樣的一個(gè)工作機(jī)理，結(jié)合上面的紅外工作機(jī)理，Ti3C2Tx復(fù)合碳布這類的復(fù)合柔性材料，能夠同時(shí)兼容紅外隱身和電磁屏蔽性能，且具有柔韌性，對于軍事領(lǐng)域等具有很大的貢獻(xiàn)，有一定的可行性。在實(shí)現(xiàn)紅外隱身的過程中，考慮到更低的發(fā)射率，采用在最外層鍍一層薄薄的金膜。

圖4 電磁屏蔽效能數(shù)據(jù)分析

在本研究中，附有金納米顆粒的Ti3C2Tx復(fù)合碳布紡織材料展現(xiàn)出其在紅外隱身、電磁屏蔽、阻燃和耐高溫等方面的良好性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3~14 μm的紅外波段，其發(fā)射率低于0.10，在一定溫度下最低發(fā)射率達(dá)到0.07。在微波波段方面，EMI屏蔽效能在X波段和Ka波段分別為71.8 dB和75.02 dB，主要以微波吸收損耗為主；在太赫茲波段，也有約30 dB的EMI屏蔽性能。 此外，該復(fù)合碳布紡織品還具有耐高溫和阻燃性，可耐溫度可達(dá)500°C，能夠在高溫環(huán)境下應(yīng)用，且具有防火性能。由于復(fù)合碳布紡織品具有柔性可延展的特性，它可以應(yīng)用于日常生活中屏蔽輻射，也可以作為一種柔性材料包覆在需要實(shí)現(xiàn)紅外隱身、微波屏蔽的軍事設(shè)備和電子設(shè)備上。因此，這種復(fù)合碳布紡織品為紅外隱身兼容電磁屏蔽領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種可行的思路和基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清