中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
深圳大學(xué)閆培光教授團隊、國防科技大學(xué)楊俊波教授團隊、西南大學(xué)吳加貴教授團隊和軍事科學(xué)院梁一鳴團隊共同設計了一款柔性可穿戴、紅外隱身兼容電磁屏蔽的復合紡織品器件。這款復合紡織品的紅外發(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71.8 dB和75.02 dB，透過(guò)率低于10-7。此外，這款復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(wú)論在軍事還是民用領(lǐng)域都具有很好的應用前景。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(guò)渡金屬材料，因其高導電性和多活性基團而備受關(guān)注。當前，這種材料已被應用于電磁屏蔽、熱管理等多個(gè)領(lǐng)域。然而，隨著(zhù)柔性智能設備的發(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用的材料非常少。
研究團隊成功制備了一種具有紅外隱身和微波電磁屏蔽作用的復合紡織品，并對其性能進(jìn)行了詳細測試。該復合紡織品在紅外波段表現出極低的發(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)域提供了新的設計思路和技術(shù)支持。
如圖1所示，制備的Ti3C2Tx復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(guò)率的特點(diǎn)。該紡織品表面覆蓋有金納米顆粒，通過(guò)短時(shí)間的磁控濺射過(guò)程制成。當電磁波照射到紡織品表面時(shí)，部分電磁波會(huì )被反射到表面外，而更多電磁波會(huì )進(jìn)入Ti3C2Tx層并被多次反射、折射和衰減。碳納米纖維布（簡(jiǎn)稱(chēng)“碳布”）作為微波反射層，能夠將到達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。在后續的實(shí)驗部分將詳細闡述這一指標。該紡織品的EMI SE超過(guò)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)現了紅外隱身效果。實(shí)現紅外隱身兼容電磁屏蔽功能是本次工作中Ti3C2Tx復合碳布紡織品的主要應用。
圖1 原理及應用
該團隊將Ti3C2Tx二維過(guò)渡金屬材料與碳布結合，通過(guò)真空過(guò)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，且導電性強，導電面積大，在研究中通過(guò)一些方式如真空過(guò)濾法、浸泡法等易于與其他材料形成復合材料，以提高目標材料的物理和化學(xué)性能。
圖2 制備方法：(a)真空過(guò)濾法；（b）浸泡法
采用紅外熱成像儀觀(guān)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，除了能夠實(shí)現溫度對應的顏色對比作用，還能夠將樣品固定在加熱臺上。
本次實(shí)驗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?chē)獾念伾草^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復合碳布紡織品的紅外成像與周?chē)念伾罹嗖淮?，顏色基本一致，且加上金納米顆粒后紅外圖像顏色與周?chē)h(huán)境顏色差距更小。再結合圖3(g)測試的傅里葉變換紅外光譜儀數據來(lái)看，在3-15 μm紅外波段其吸收率低至0.1，能夠實(shí)現紅外隱身效果。圖3(h)采用熱重分析儀進(jìn)行測試，總體來(lái)看失重率不高，在555 ℃時(shí)失重速率最大，由此可確定，該復合紡織品可耐高溫500 ℃。
此外，本次工作輔以紅外熱成像儀直接測試復合紡織品在不同溫度下的紅外發(fā)射率，如表1所示。因為紅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)范圍內能實(shí)現低紅外發(fā)射率，基本上就能夠大多數的市場(chǎng)應用。
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(guò)率，通過(guò)大量的反射和吸收來(lái)降低透過(guò)率是常用的科學(xué)策略。因為T(mén)i3C2Tx內部是層狀結構，內部具有層間距，這樣當微波打入到Ti3C2Tx材料時(shí)，能夠被大量吸收且內部多次反射，實(shí)現信號的大量衰減。此外，根據紅外隱身工作的結果，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。根據這樣的一個(gè)工作機理，結合上面的紅外工作機理，Ti3C2Tx復合碳布這類(lèi)的復合柔性材料，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，有一定的可行性。在實(shí)現紅外隱身的過(guò)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 電磁屏蔽效能數據分析
在本研究中，附有金納米顆粒的Ti3C2Tx復合碳布紡織材料展現出其在紅外隱身、電磁屏蔽、阻燃和耐高溫等方面的良好性能。實(shí)驗結果表明，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，該復合碳布紡織品還具有耐高溫和阻燃性，可耐溫度可達500°C，能夠在高溫環(huán)境下應用，且具有防火性能。由于復合碳布紡織品具有柔性可延展的特性，它可以應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)現紅外隱身、微波屏蔽的軍事設備和電子設備上。因此，這種復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。
