机械/热机械-电磁多功能纤维素纳米纤丝-MXene气凝胶基超材料的创新设计与性能研究

本研究针对木质超材料界面耦合中高复杂性与设计灵活性不足的问题，通过原位沉积均匀磁性CoFe2O4纳米粒子于轻质CNFene气凝胶骨架，开发出具有随机可调聚集特性的CFO-CNFene超材料。该材料展现温度不变量超弹性、超低导热系数(26.12 mW m?1 K?1)、99.999%电磁干扰屏蔽效率及99.99%电磁波吸收效率等卓越性能，为军事民用电磁隐身技术提供新方案。

　　

随着隐身技术在军事装备和电子设备领域的迫切需求，多功能木质超材料因其独特的声、光、电、热、磁综合性能而备受关注。然而，传统木质超材料的微晶格几何特性存在高度耦合和相互依赖性，限制了设计灵活性和可调控性。特别是在机械/热机械-电磁多功能集成方面，如何实现多稳态架构的可控构建成为亟待突破的瓶颈。

为攻克这一难题，研究人员在《Research》期刊发表了关于CFO-CNFene超材料的研究成果。该研究创新性地通过分子间相互作用，在轻质CNF-MXene（CNFene）气凝胶骨架上实现均匀磁性CoFe₂O₄纳米粒子的原位沉积，成功制备出具有聚集自由双交联结构的机械/热机械-电磁多功能超材料。

研究团队采用多步骤制备工艺：首先通过化学纯化结合机械纳米纤化技术从纯化木纤维骨架制备TEMPO氧化纤维素纳米纤丝（TEMPO-CNFs）；利用改进的轻度层离法从Ti₃AlC₂ MAX相获得Ti₃C₂T_x MXene纳米片；随后通过非接触冷冻干燥技术构建CNFene气凝胶模板；最后采用溶胶-凝胶法结合原位生长技术，在FeSO₄/CoCl₂溶液中通过热沉淀和氢氧化钠/硝酸钾混合溶液转化，形成磁性钴铁氧体纳米粒子修饰的超材料。

材料表征结果显示，CFO-CNFene超材料具有484.35 m² g^?1的比表面积和丰富的多级孔结构，XRD谱图证实了CoFe₂O₄纳米粒子的成功负载，FTIR和XPS分析揭示了组分间强烈的氢键相互作用和共价键合。磁性测试表明材料具有铁磁特性，饱和磁化强度达84.68 emu g^?1，接触角测试显示其具有超疏水性能（154°±1°）。

机械/热机械性能表征方面，材料在95%应变下仍能完全恢复原状，经历10,000次90%应变循环后应力保持率超过85%。动态热机械分析显示材料在-100至350°C范围内保持稳定的粘弹性，展现出卓越的温度不变量超弹性。Ashby图分析表明其比强度优于多数木质气凝胶复合材料。

热绝缘性能研究显示，材料导热系数仅为26.12 mW m^?1 K^?1，热重分析证实其在1,000°C仍能保持75%残余重量。火焰测试表明材料具有自熄特性，能有效保护冰块和鲜花免受高温损伤。热管理实验证明其可作为LED芯片的散热器，使芯片表面温度稳定在50°C左右。

红外热伪装行为研究表明，材料能有效隔离目标热特征，在20°C环境下可完全掩盖人体和电子设备的热信号，实现被动红外隐身。同时具备主动热伪装能力，在不同环境温度下均可实现目标与背景的热融合。

电磁性能测试显示，3mm厚材料在8-12GHz频段的电磁干扰屏蔽效能达52.4dB，屏蔽效率达99.999%。反射损耗测试表明其电磁波吸收效能达59.35dB，归因于三维多孔结构带来的多重反射和吸收机制，以及CoFe₂O₄与MXene纳米片的协同效应。

该研究通过巧妙的材料设计和制备工艺，成功实现了木质超材料在多功能集成方面的重大突破。CFO-CNFene超材料展现的卓越综合性能，为发展先进电磁隐身技术提供了新的材料平台，在国防安全、航空航天、电子保护等领域具有广阔应用前景。特别是其独特的多尺度微纳结构和组分协同效应，为未来多功能超材料的设计提供了重要借鉴。