一石二鸟：灵活的CuFe?O?@Ti?C?T?-x-MXene/棉织物 该织物借鉴了核桃的核壳结构设计，兼具雷达和红外波段的隐身性能

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：One stone kills two birds: flexible CuFe 2O 4@Ti 3C 2T x-MXene/cotton fabric inspired by core–shell structure of walnut for radar and infrared compatible stealth

基于核桃壳核壳结构的CuFe2O4@MXene复合织物通过水热合成与静电自组装制备，并涂覆于棉织物。研究证实该材料在17.44GHz实现-54.96dB反射损耗，红外发射率3-5μm为0.529，8-14μm为0.491，兼具雷达/红外隐身性能，且经弯曲、拉伸、摩擦和洗涤测试后性能稳定。

　　

Jiatong Yan|Chuanxi Lin|Ming Zhong|Hong Tang|Hongyan Xiao|Ce Cui|Hailin Chen|Ronghui Guo

四川大学生物质科学与工程学院，成都610065，中国四川

摘要

为了解决电磁波（EMW）吸收材料或红外隐身材料难以抵抗多频段探测技术的问题，并满足可穿戴设备的要求，设计出兼具雷达和红外隐身特性的单层织物具有重要意义。受核桃核壳结构的启发，采用水热合成和静电自组装方法制备了CuFe₂O₄@MXene复合材料。通过将CuFe₂O₄@MXene涂覆在棉布上，制备得到了CuFe₂O₄@MXene/CF织物。CuFe₂O₄与Ti₃C₂T_x-MXene之间的介电损耗和磁损耗协同效应，以及Ti₃C₂T_x-MXene的低红外发射率，使得CuFe₂O₄@MXene/CF具有优异的雷达和红外隐身性能。在17.44 GHz频率下，最小雷达反射损失（RL_min）达到-54.96 dB（1.45 mm），在10.03–12.38 GHz和13.94–16.60 GHz频段内的等效吸收带宽（EAB）分别为5.01 GHz。密度泛函理论（DFT）计算表明，CuFe₂O₄与MXene界面处的电荷重新分布增强了介电损耗，而异质界面的结构特性提高了电磁波吸收效果。CuFe₂O₄@MXene/CF在3–5 μm和8–14 μm波段的平均发射率分别为0.529和0.491。该复合材料在弯曲、拉伸、摩擦和洗涤后仍保持雷达/红外隐身性能。本研究为雷达和红外兼容隐身织物的实际应用提供了理论基础。

引言

随着各种通信和电子设备的广泛应用，电磁污染对军事安全构成了威胁，并影响了人类健康[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，开发电磁波（EMW）吸收材料对于解决电磁污染问题至关重要[6]。然而，可穿戴电子设备正朝着小型化和轻量化的方向发展[7]。传统的EMW吸收材料存在尺寸有限、硬度高和重量大的缺点，无法满足可穿戴技术的需求[8]、[9]、[10]。因此，研究能够适应各种形状变化和工作环境的EMW吸收织物变得十分重要。此外，由于热红外探测技术在军事侦察和监视中的广泛应用，设计兼具红外和雷达隐身功能的柔性多频段隐身织物对于提高军事人员和设备的生存能力和作战效能具有重要意义[11]、[12]、[13]。解决雷达和红外兼容性问题[14]、[15]、[16]也非常关键。研究人员设计了一种由EMW吸收底层和红外隐身表层组成的多层结构隐身材料，以实现雷达和红外兼容的隐身效果[17]。然而，多层结构隐身材料存在工艺复杂和重量较大的缺点。因此，设计单层兼具雷达和红外隐身特性的织物具有重要意义。

Ti₃C₂T_x-MXene是一种新型二维（2D）材料，由于其丰富的表面官能团和高比表面积，成为EMW吸收材料的研究热点[18]、[19]。此外，由于其低红外发射率，Ti₃C₂T_x-MXene在红外隐身领域具有广泛的应用前景[20]、[21]。然而，由于Ti₃C₂T_x-MXene的高导电性，会导致电磁波反射[22]、[23]。因此，优化Ti₃C₂T_x-MXene的阻抗匹配是提高其EMW吸收性能的必要条件。通常，将高导电材料与磁损耗材料结合使用被认为是优化阻抗匹配和提升EMW吸收效果的有效策略[24]、[25]、[26]、[27]。铜铁氧体（CuFe₂O₄）因其铁磁性、良好的分散性、低成本和易于合成而在EMW吸收、光电转换材料、锂离子电池等领域得到广泛应用[28]、[29]、[30]。此外，合理设计EMW吸收材料的微观结构可以提高吸收效率[31]、[32]、[33]。花状结构[34]、微球结构[35]、多层结构[36]、蜂窝结构[37]、纤维结构[38]和核壳结构[39]能够显著提升EMW吸收效果。核壳结构具有独特的电磁波多次反射效应[40]、[41]。受核桃核壳结构的启发，设计了一种以CuFe₂O₄为内核、Ti₃C₂T_x-MXene为外壳的核壳结构材料（CuFe₂O₄@Ti₃C₂T_x-MXene）。基于MXene表面的低红外发射率和电磁协同原理，优化了阻抗匹配，实现了对电磁波和红外的同步隐身效果。然而，关于将这种核壳结构材料应用于织物以实现雷达和红外隐身的研究较少。

受核桃核壳结构的启发，通过静电自组装方法，利用水热合成的多巴胺阳离子修饰CuFe₂O₄微球和带负电的MXene制备了CuFe₂O₄@Ti₃C₂T_x-MXene（CuFe₂O₄@MXene）复合材料。将CuFe₂O₄@MXene涂覆在棉布上，制备出了兼具雷达和红外隐身功能的柔性织物（CuFe₂O₄@MXene/CF），实现了“一石二鸟”的效果。实验结果表明，CuFe₂O₄@MXene/CF具有良好的雷达和红外隐身性能，这得益于CuFe₂O₄的强磁性质、MXene的介电特性以及核壳结构产生的界面效应。此外，该复合材料还具有耐洗涤、耐物理和化学损伤的优点。本研究为单层雷达和红外兼容隐身织物的设计和实际应用提供了策略。

材料

五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、醋酸钠（NaAc）、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮（PVP-K30）、氟化锂、盐酸、乙二醇（EG）、三（羟甲基）甲酰胺和盐酸多巴胺均由成都科龙化工有限公司提供。Ti₃AlC₂由北京福斯曼科技有限公司提供。

CuFe₂O₄的合成

CuFe₂O₄微球采用水热法制备[29]。使用2.5 mmol的CuSO₄·5H₂O和5 mmol的FeCl₃·6H₂O...

结构特性

CuFe₂O₄和CuFe₂O₄@MXene/CF的制备过程如图1a所示。CuFe₂O₄通过水解反应、沉淀反应和水热结晶反应制备（公式4–9）。通过调节Cu²⁺和Fe³⁺的比例以及水热反应的时间和温度，制备出了磁性CuFe₂O₄微球。核桃的壳层可防止物理损伤，而果仁则能吸收养分。这一设计灵感来源于核桃的核壳结构...

结论

受核桃核壳结构的启发，采用水热合成和静电自组装方法制备了CuFe₂O₄@Ti₃C₂T_x-MXene复合材料。通过将CuFe₂O₄@Ti₃C₂T_x-MXene涂覆在棉布上，制备出了兼具雷达和红外隐身功能的柔性织物（CuFe₂O₄@MXene/CF），实现了“一石二鸟”的效果。在17.44 GHz频率下，最小雷达反射损失（RL_min）达到-54.96 dB，等效吸收带宽（EAB）在10.03–12.38 GHz和13.94–16.60 GHz频段分别为5.01 GHz。

作者贡献声明

Jiatong Yan：撰写原始稿件。Chuanxi Lin：软件支持。Ming Zhong：指导工作。Hong Tang：数据管理。Hongyan Xiao：数据验证。Ce Cui：撰写与编辑。Hailin Chen：软件支持。Ronghui Guo：撰写与编辑、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了四川省高技术有机纤维重点实验室开放项目计划（项目编号：PLN2023-10/2024-PLN2024-13）、四川省科技规划项目（项目编号：2023YFQ0090/2024YFHZ0218）以及四川大学工程特色团队的支持（项目编号：2020SCUNG122）的资助。