3D工程化的MXene气凝胶用于轻质微波吸收和红外隐身技术

《Journal of Alloys and Compounds》：3D-Engineered MXene Aerogels for Lightweight Microwave Absorption and Infrared Stealth

本工作采用化学蚀刻与冷冻干燥法制备CS/HAc@MXene气凝胶，通过优化多孔结构与高电导率实现雷达与红外隐身协同，在4.20mm厚度下有效吸收带宽达1.88GHz，反射损耗-46.66dB，厚度减至3.80mm时带宽提升至2.39GHz，红外测试显示升温仅1°C，显著抑制热辐射。

　　在当前的电磁环境中，现代侦察技术的快速发展对军事和民用领域提出了更高的防护要求。特别是，随着雷达和红外探测技术的不断进步，单一功能的隐身材料已经难以满足复杂电磁环境下的需求。因此，开发能够同时实现雷达隐身和红外隐身的多功能材料成为研究的热点。MXenes作为一种新型的二维材料，因其优异的导电性和可调的结构特性而备受关注。然而，MXene材料在实际应用中仍面临诸多挑战，例如阻抗不匹配、易氧化等问题。为了克服这些限制，研究人员尝试将MXene与其他材料复合，以构建具有更好性能的复合材料。其中，气凝胶因其独特的三维多孔结构，表现出良好的电磁波吸收能力和热绝缘性能，成为开发多功能隐身材料的理想载体。

本文介绍了一种基于壳聚糖/乙酸（CS/HAc）的MXene气凝胶的制备方法。通过简单的化学蚀刻和冷冻干燥技术，成功构建了具有三维导电网络的气凝胶结构。这种结构不仅提高了材料的导电性，还通过多孔设计增强了电磁波的多次反射和散射，从而延长了电磁波在材料中的传播路径。同时，气凝胶的多孔结构也优化了阻抗匹配，使其在较宽的频率范围内表现出优异的电磁波吸收性能。实验结果显示，当气凝胶的厚度为4.20 mm时，其最小反射损耗达到-46.66 dB，对应的有效吸收带宽（EAB）为1.88 GHz。当厚度减小至3.80 mm时，EAB进一步扩展至2.39 GHz，表明该材料在不同厚度下均能实现高效的电磁波吸收。此外，该气凝胶还表现出良好的红外隐身性能，其表面温度在加热后仅上升1°C，说明其在抑制中波和长波红外辐射方面具有显著优势。

气凝胶的多孔结构使其具有极低的密度和高比表面积，这不仅有助于提高其电磁波吸收能力，也为其提供了出色的热绝缘性能。然而，纯MXene气凝胶在压缩过程中容易发生断裂，限制了其在实际应用中的稳定性。为了解决这一问题，研究团队引入了壳聚糖作为基质材料，利用其天然的三维网络结构，有效增强了气凝胶的压缩弹性和抗疲劳性能。壳聚糖是一种广泛存在于自然界中的生物聚合物，具有良好的生物相容性和可降解性，这使其在环保和可持续材料开发方面具有重要价值。通过将MXene与壳聚糖结合，不仅提升了材料的力学性能，还保留了MXene的高导电性，从而实现了在雷达和红外频段的协同隐身效果。

此外，本文还探讨了不同MXene含量对气凝胶性能的影响。通过系统地调整MXene的添加比例，研究人员能够优化材料的电磁波吸收和红外隐身性能。实验结果表明，适量的MXene添加能够显著提升材料的电磁波吸收能力，同时保持其良好的热绝缘性能。这为设计具有更宽频率覆盖范围和更高吸收效率的隐身材料提供了理论依据和技术支持。研究团队还指出，这种新型气凝胶在航空航天平台中具有广阔的应用前景，因为它不仅满足了对轻质材料的需求，还能够在多频段下实现高效的隐身效果。

在合成MXene的过程中，采用了一种温和的LiF/HCl化学蚀刻体系。首先，将浓盐酸和去离子水按一定比例混合，并在40°C的油浴中加热。随后，将LiF粉末加入其中，通过磁力搅拌使其完全溶解。接着，将MAX相材料Ti3AlC2缓慢引入混合体系，通过化学蚀刻去除其中的Al层，从而获得单层MXene。这一过程的关键在于控制蚀刻条件，以确保MXene的结构完整性和导电性能不受破坏。通过优化蚀刻参数，研究人员能够获得高质量的MXene悬浮液，为后续的气凝胶制备奠定了基础。

在对MXene的形貌进行表征时，研究团队利用了X射线衍射（XRD）技术，对原始MAX相材料Ti3AlC2和制备得到的单层MXene进行了分析。XRD图谱显示，经过化学蚀刻后，MXene的晶格结构发生了显著变化，表明Al层已被有效去除。同时，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的图像进一步验证了MXene的二维层状结构及其表面的活性终端基团。这些基团的存在不仅增强了MXene的化学稳定性，还为其在复合材料中的功能化提供了可能。

本文的研究成果不仅为开发新型的雷达-红外兼容隐身材料提供了科学依据，也为相关领域的材料设计提供了新的思路。通过结合MXene的高导电性和壳聚糖的结构稳定性，研究团队成功制备了一种兼具高效电磁波吸收能力和优异红外隐身性能的轻质材料。这种材料在军事装备、航空航天平台以及民用通信设备等领域具有重要的应用价值。未来，随着对材料性能需求的不断提升，进一步优化MXene的含量和结构，以及探索其他生物基材料的组合，将有助于开发更加高效、环保和多功能的隐身材料。

从更广泛的角度来看，本文的研究还强调了多学科交叉在材料科学中的重要性。通过将化学蚀刻技术、冷冻干燥方法与生物聚合物的应用相结合，研究人员不仅解决了传统材料在阻抗匹配和稳定性方面的不足，还实现了材料性能的全面提升。这种跨学科的创新方法为未来材料的开发提供了新的方向，同时也展示了材料科学在应对复杂电磁环境中的潜力。随着技术的不断进步，预计会有更多类似的多功能材料被开发出来，以满足日益增长的隐身需求。

本文还提到，传统微波吸收材料如磁性金属虽然具有丰富的损耗机制和较低的成本，但它们在实际应用中常常面临氧化、稳定性差和阻抗不匹配等问题。相比之下，基于MXene的材料因其高导电性而表现出更高的屏蔽效率和吸收能力。然而，单层MXene材料在实际应用中仍存在一定的局限性，例如其波吸收性能受到阻抗不匹配和单一损耗机制的制约。因此，通过构建三维多孔结构，将MXene与其他材料复合，成为提升其性能的重要策略。

在研究过程中，气凝胶的制备方法也得到了详细探讨。首先，通过化学蚀刻获得MXene悬浮液，然后将其与壳聚糖/乙酸溶液混合，形成均匀的前驱体。接着，利用冷冻干燥技术去除溶剂，从而形成具有多孔结构的气凝胶。这种方法不仅操作简便，而且能够有效保留MXene的结构和性能。冷冻干燥过程中，溶剂的去除速度和温度控制对最终气凝胶的微观结构和性能具有重要影响。因此，研究人员对冷冻干燥参数进行了系统优化，以确保气凝胶的结构稳定性和功能性能。

此外，本文还强调了材料在高温环境下的稳定性问题。传统材料在高温条件下容易发生结构变化或性能下降，而MXene材料由于其高导电性和良好的热稳定性，被认为是一种具有应用前景的材料。然而，MXene在空气中容易发生氧化反应，这限制了其在高温环境下的使用。为了提高材料的耐热性，研究团队通过引入壳聚糖等生物聚合物，构建了一种具有优良热稳定性的复合材料。这种材料不仅能够有效吸收电磁波，还能在高温环境下保持其结构和功能特性，从而拓宽了其应用范围。

在对气凝胶的性能进行测试和分析时，研究团队采用了多种实验手段，包括电磁波吸收测试、红外辐射测试以及热性能分析等。这些测试结果表明，该气凝胶在雷达和红外频段均表现出优异的隐身性能。在电磁波吸收测试中，材料的最小反射损耗和有效吸收带宽成为衡量其性能的重要指标。而在红外隐身测试中，材料的热辐射强度和表面温度变化则成为评估其红外隐身能力的关键参数。这些测试不仅验证了材料的实际性能，也为进一步优化其结构和功能提供了数据支持。

综上所述，本文通过将MXene与壳聚糖/乙酸复合，成功制备了一种具有三维导电网络和多孔结构的新型气凝胶材料。这种材料在雷达和红外频段均表现出优异的隐身性能，同时具备良好的热稳定性和机械性能。其制备方法简单，具有较高的可重复性和可扩展性，为未来开发更多多功能隐身材料提供了重要的参考价值。随着材料科学的不断进步，预计会有更多类似的复合材料被开发出来，以满足不同应用场景下的隐身需求。