常压干燥纤维素基分级复合材料实现高效双光谱兼容防御新突破

本综述聚焦于电磁干扰（EMI）屏蔽与红外隐身双光谱兼容防御材料的前沿研究。作者创新性地采用常压干燥技术构建了具有不对称分级结构的TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）/碳纳米管（CNT）气凝胶与TOCNF/MXene（TM）薄膜复合材料。该材料通过独特的"吸收-反射-再吸收"屏蔽机制，实现了77.3 dB的超高电磁屏蔽效能（EMI SE）和0.71的吸收系数，同时具备优异的红外隐身性能。此项研究为开发具有可切换电磁波吸收能力的双光谱兼容防御材料提供了新策略。

　　

亮点

TC-TM分级复合材料的结构与化学相互作用

在常压干燥过程中，溶剂蒸发产生的毛细管压力会作用于气凝胶的孔壁，严重破坏其多孔结构（图2(a)）。因此，必须降低这种毛细管压力才能通过常压干燥获得具有完整孔结构的气凝胶。根据杨-拉普拉斯方程，毛细管压力 (P) 可表示为：

$P=\frac{2\gamma \text{cos}\theta }{r}$

其中 γ 是溶剂的表面张力，θ 是溶剂与孔壁之间的接触角，r 是气凝胶的孔径。从方程中可以看出，降低溶剂的表面张力或增大接触角可以有效降低毛细管压力。乙醇的表面张力（22.1 mN m^-1）远低于水的表面张力（72.0 mN m^-1）。因此，在干燥前进行溶剂交换（用水交换乙醇）是保护气凝胶多孔结构的有效方法。此外，构建坚固的骨架以抵抗毛细管压力也至关重要。得益于TOCNF的高纵横比和丰富的表面官能团（-COOH），Zr⁴⁺可以被引入作为交联剂，通过强大的Zr⁴⁺-COO^-配位键连接TOCNF，从而形成坚固的凝胶网络。

为了验证TC气凝胶的多孔结构，我们进行了扫描电子显微镜（SEM）表征。如图2(b, c)所示，TC气凝胶呈现出典型的三维（3D）多孔网络结构，这有利于电磁波的多重反射和散射。同时，这种多孔结构也赋予了TC气凝胶优异的热绝缘性能。通过氮气吸附-脱附测试进一步分析了TC气凝胶的孔结构参数。如图2(d)所示，TC气凝胶的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积为125.6 m² g^-1，这证明了其高孔隙率特性。此外，通过X射线光电子能谱（XPS）分析了TC气凝胶的化学组成和相互作用。高分辨率的Zr 3d XPS光谱（图2(e)）在182.5 eV和184.9 eV处显示出两个明显的峰，分别对应于Zr 3d_5/2和Zr 3d_3/2，这证实了Zr⁴⁺的成功引入以及Zr⁴⁺与TOCNF上羧基之间配位键的形成。这种交联结构显著增强了TC气凝胶网络的机械强度，使其能够更好地抵抗常压干燥过程中的毛细管压力。

另一方面，通过真空辅助过滤制备了TM薄膜。SEM图像（图2(f)）显示，TM薄膜呈现出致密且层层堆叠的结构，这种结构有利于形成连续的导电网络，从而实现高电磁波反射和低红外发射率。

结论

通过简便的常压干燥工艺，成功制备了一种新型纤维素基不对称分级复合材料，用于双光谱兼容防御。具体而言，TC气凝胶层在常压干燥后保留了良好的多孔结构，并对电磁波表现出高吸收性能。其与TM薄膜层的组装，得益于"吸收-反射-再吸收"过程，实现了优异的电磁干扰屏蔽效能（77.3 dB）和高吸收系数（0.71）。