异维MXene衍生气凝胶的多光谱响应特性及电磁防护器件设计

针对传统电磁(EM)材料难以兼顾多光谱响应、机械强度与环境适应性的难题，研究人员通过定向冷冻干燥和高温碳化技术构建了钴纳米颗粒嵌入氮掺杂碳纳米管修饰的异维MXene衍生气凝胶(Co@NCNTs-CM)。该材料通过独特的异维结构设计，显著提升了微波/红外波段响应能力，并兼具优异的机械强度、阻燃性和EM波衰减性能。雷达散射截面(RCS)模拟证实其远场防护潜力，据此开发的多光谱隐身防护器件为军事、航天等领域提供了创新解决方案。

　　

随着无线通信技术的飞速发展，电磁污染已成为威胁精密仪器安全和军事装备保密性的重要问题。传统电磁吸收材料往往顾此失彼——要么牺牲机械强度换取吸波性能，要么因功能单一难以适应复杂环境。更棘手的是，多光谱兼容需求（如同时应对微波雷达探测和红外热成像）对材料设计提出了近乎苛刻的要求。在这一背景下，气凝胶材料因其轻质多孔特性被视为理想候选，但单一三维结构又限制了其多功能集成能力。

为解决这一系列矛盾，黑龙江某研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。他们巧妙融合二维MXene纳米片与零维钴纳米颗粒、一维氮掺杂碳纳米管(Co@NCNTs)，通过定向冷冻干燥与高温碳化工艺，构建出具有异维结构的MXene衍生气凝胶(Co@NCNTs-CM)。这种"分子乐高"式的设计不仅解决了MXene易堆叠的顽疾，更通过维度协同效应实现了性能飞跃。

关键技术包括：1) 选择性蚀刻Ti₃
AlC₂
制备少层Ti₃
C₂
T_x
MXene；2) 定向冷冻成型构建有序孔道结构；3) 高温原位生长Co@NCNTs；4) 雷达散射截面仿真验证远场性能。

【形态与结构表征】
扫描电镜显示材料具有分级多孔结构，MXene片层上垂直生长的碳纳米管形成"纳米天线"阵列。X射线衍射证实成功引入Co纳米颗粒，X射线光电子能谱检测到吡啶氮等活性位点，这些结构特征共同优化了介电损耗与磁损耗平衡。

【电磁性能分析】
矢量网络分析仪测试显示，材料在2-18 GHz频段反射损耗达-58.4 dB，有效吸收带宽覆盖Ku波段。独特的异维结构产生大量界面极化，缺陷诱导的偶极极化与钴纳米颗粒的磁损耗形成协同效应。红外热成像则证明其红外发射率可动态调控至0.3以下。

【应用验证】
基于该材料设计的隐身器件在雷达/红外双模测试中表现突出：雷达散射截面降低15 dBsm，同时表面温升控制在2℃内。阻燃测试达到UL-94 V0级，抗压强度达8.7 MPa，远超传统泡沫吸波材料。

这项研究开创性地通过异维结构设计打破性能壁垒，其意义不仅在于开发出集"侦测-防护-生存"于一体的新型电磁材料，更提供了多维纳米材料协同设计的新范式。正如研究者指出，这种气凝胶在卫星隐身涂层、野战方舱等军事领域，以及5G基站电磁兼容等民用领域都具有广阔应用前景。特别值得注意的是，材料制备采用的定向冷冻技术具备规模化生产潜力，为工程化应用铺平了道路。未来通过调控过渡金属种类，还可进一步拓展至太赫兹等新频谱领域。