随着通信技术的飞速发展和应用场景的日益复杂，开发兼具电磁干扰（EMI）屏蔽和红外（IR）隐身能力的多功能防护材料对于维护电子设备的平稳运行和保障专业人员的安全具有特殊的意义。近年来，Ti3C2Tx MXene作为一种新兴的二维材料，由于其优异的导电性和低红外发射率得到了广泛关注，被认为是替代金属材料作为EMI 屏蔽和IR隐身的最佳材料。尽管MXene基薄膜或涂层的研究已经取得了一系列进展，但是依然存在较大挑战，如高温防护物直接接触导致易氧化、力学强度差等。为了协同提高IR隐身和EMI屏蔽能力，本团队设计了一种新型的双层ANF/MXene薄膜，将隔热ANF气凝胶与低红外发射率MXene涂层相结合。MXene涂层具有高导电性和低红外发射率的特点，能有效反射和吸收电磁波，同时减少热辐射。多孔ANF气凝胶具有皮芯结构，增强了复合薄膜的隔热性能，防止MXene涂层与高温物体直接接触。
近日，郑州大学刘春太教授团队在期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》上，发表了最新研究成果“Lightweight double‑layer structured ANF/MXene aerogel film with electromagnetic interference shielding and dynamic infrared camouflage”。研究者通过简单的溶胶-凝胶薄膜转化方法和喷涂相结合的工艺制备出双层结构ANF/MXene薄膜，展现出优异的红外隐身和电磁干扰屏蔽双功能。在该系统中，下层的ANF气凝胶层通过其具有优异隔热性能的新型皮芯结构作为屏障，隔离高温目标的热传递。然而，具有高导电性的上层MXene涂层可以反射电磁波，并为双层复合材料提供低红外发射率（0.24）。
ANF气凝胶和MXene涂层在双层复合材料中的结合允许为高温目标产生低热辐射温度，从而在各种温度下具有显著的红外隐身能力。更确切地说，当放置在达到425.9 oC高温的热板上时，获得的气凝胶薄膜的表面温度仅为116.2 oC，这表明热辐射温度大幅下降。此外，ANF/MXene薄膜的EMI 屏蔽效能（EMI SE）为46.3 dB，使其能够应对各种复杂的热伪装场景。这项工作为创建多功能薄膜提供了一种潜在的方法，以实现安全防护及反监视领域中的高温热伪装和电磁辐射屏蔽能力。
图1 ANF/MXene薄膜的制备流程图以及SEM图
通过溶胶-凝胶-薄膜转化工艺制备出独特皮芯结构的气凝胶薄膜，由致密的薄膜皮层和三维多孔纳米纤维网络芯层组成。随后，在ANF凝胶薄膜皮层表面均匀的喷涂Ti₃C₂Tₓ MXene溶液制备成双层结构的ANF/MXene薄膜。所得的ANF/MXene薄膜的密度仅为45.6 mg/cm³，能轻松的被树叶支撑。在这个体系中，下层的ANF凝胶起到屏障的作用，防止高温热源的热量传递。此外，上层MXene不仅提供了极低的发射率表面，还构建了良好的导电网络，使复合膜具有高温热伪装和EMI屏蔽的双重能力。ANF/MXene薄膜截面能谱显示，C、N、F、Ti等元素分布不均匀，表明下层ANF气凝胶膜呈现典型的皮芯夹层结构，而上层MXene层附着在ANF皮层表面。
图2：ANF/MXeen的结构表征
通过XRD、FTIR和XPS对ANF/MXene薄膜、MXene和ANF的结构进行了表征。XRD图谱证实ANF/MXene薄膜中6°、20°和23°位置的三个特征峰，分别对应于MXene的（002）峰和ANF的（110）和（200）峰，这表明具有连续导电网络的MXene涂层已成功加载到ANF表面。FTIR谱图表明ANF/MXene薄膜显示出与MXene和ANF的特征峰，进一步证明MXene纳米片有效喷涂到ANF气凝胶薄膜中。值得注意的是，C=O峰的位移证明了MXene纳米片和ANF基底之间存在氢键作用。XPS谱图证实MXene纳米片特征元素与ANF的特征元素均出现在复合薄膜中。高分辨率C 1s光谱显示，与ANF相比，ANF/MXene薄膜中的C-Ti和C-N峰发生了位移，表明导电填料和基材之间存在氢键/共价相互作用。
图4 ANF/MXene电磁屏蔽性能
根据Schelkunoff定律，提高复合材料的导电性和/或厚度是实现电磁防护的基本途径。通过增加MXene涂层的密度，ANF/MXene薄膜的导电性大大增加，导致板材电阻从78.4降低到4.7 (/sq。ANF/MXene薄膜的EMI SE随着MXene涂层密度的增加而逐渐增加，这与电导率变化相一致。纯ANF薄膜对入射的电磁微波几乎是透明的，而在MXene涂层密度为2 g /m2时，ANF/MXene薄膜在x波段的平均EMI SE为21.3 dB，满足商业应用的最低要求。当涂层密度为4 g/m2时，MXene涂层显著提高了EMI SE值，达到43.6 dB，这表明复合膜能够阻挡99.996%以上的电磁波。
图5 ANF/MXene红外隐身性能
ANF/MXene薄膜的红外发射率随着MXene加载密度的增加而降低，这与MXene纳米片相对较差的中红外发射率有关。复合薄膜的平均红外发射率值在0.39 ~ 0.24之间，明显低于纯ANF膜的平均红外发射率（0.71），与报道的红外隐身MXene膜的平均红外发射率（0.13）相近。值得注意是，在相对低温（<150 oC）、中高温（200-350 oC）和高温（>400 oC）的加热台上，所有样品的检测温度均低于设定温度，表明其具有出色的IR隐身能力。此外，随着热台温度的升高， ANF/MXene薄膜呈现出持续的低辐射温度，而与ANF膜之间的温差逐渐增大，这归因于ANF气凝胶膜的特殊隔热性能和MXene涂层的低发射率的协同作用。
此外，随着MXene加载密度的增加，同一高温物品上ANF/MXene薄膜的辐射温度逐渐下降，表明MXene涂层厚度增大提高热伪装能力。例如，在425.9 oC下加热18000 s后，ANF和1 g/m²、2 g/m²、3 g/m²和4 g/m²的ANF/MXene薄膜的热辐射温度分别为295.7、146.3、132.2、125.8和116.2 oC。当将ANF/MXene薄膜应用于人体皮肤时，发现辐射测量的手掌（22.5 oC）和手臂（23.7 oC）的温度与周围温度相似，明显低于手掌（34.6 oC）和手臂（34.3 oC）的实际温度，表明其为各种实际应用提供热伪装的能力。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42114-024-01001-6
作者简介：
周兵，男，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心直聘研究员。2022年于郑州大学材料加工工程专业获工学博士，2022年入职郑州大学。主持国家自然科学基金青年项目、河南省高等学校重点科研项目等多项课题。目前主要从多功能电磁防护复合材料研究。发表论文20余篇，包括Advanced Science、Small Methods、Nano Res.、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等，其中6篇入选ESI高被引论文，3篇入选ESI热点论文，1篇被选为期刊封面文章；授权发明专利4项。中国化学会会员，担任国际期刊Journal of Modern Polymer Chemistry and Materials编委。
