北京化工大学汪晓东教授AFM：基于相变材料的“三明治”结构新型红外隐身材料

热红外隐身材料可通过降低表面红外发射率或温度，实现目标物体的红外隐身功能。然而，随着红外探测仪器的精准度不断提高，对红外隐身材料的要求也越来越高，通过降低红外发射率或表面温度的单一调控方式已无法满足高温物体的红外隐身需求。

近日，北京化工大学材料学院汪晓东教授团队报道了一种基于MXene膜、交联聚酰亚胺气凝胶及其与赤藓糖醇复合的三明治结构功能复合材料，将低发射率、热温调控、隔热相结合，实现了高温目标物体的长效红外隐身。该研究成果以“Long-Term Infrared Stealth by Sandwich-Like Phase-Change Composites at Elevated Temperatures via Synergistic Emissivity and Thermal Regulation”为题发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。该论文的第一作者为北京化工大学材料学院硕士生敬建伟，通讯作者为刘欢副教授和汪晓东教授。该课题得到了中央高校基本科研基金和国家自然科学基金的资助。

在此三明治结构复合体系中，最下层为各向异性聚酰亚胺气凝胶层，其特殊的层状堆叠结构和极低的热导率，可隔绝高温物体大部分热量的传输；中间层为气凝胶相变复合材料层，利用赤藓糖醇的高显热和潜热吸收，保证复合体系的动态温度调节能力；最上层为MXene膜，其在3~5 μm和8~14 μm两个大气窗口波长范围内的平均发射率分别仅为0.315和0.253，为体系表面提供了极低的红外发射率。

图1 三明治结构复合材料示意图及MXene膜的制备流程与性能

最下层的聚酰亚胺复合气凝胶为多层状堆叠的微观结构，有利于平行通道方向上的热量传递，阻碍垂直于通道方向的传热（导热率低于43.5 mW·m-1·K-1），进而提升隔热效果。气凝胶高的孔隙率（大于88%）和耐高温稳定性（热分解温度高于500 ℃），为其在高温隔热领域的长期应用提供了保障。

图2 聚酰亚胺气凝胶的基本特性

中间层的聚酰亚胺气凝胶/赤藓糖醇相变复合材料的过冷度大，且具有较高的熔融焓（315 J/g以上），能够在高温下吸收大量热量，在极低温度下予以释放。相变复合复合材料高过冷和高焓值的特性恰好与高温热伪装应用相契合。热红外成像结果显示，低发射率有助于高温物体表面保持稳定的低热辐射温度；气凝胶阻碍了热量向外扩散与传递；相变复合材料有效减缓了表面温度的快速升高。

图3 聚酰亚胺气凝胶相变复合材料的基本特性及红外隐身性能

三明治结构复合材料在250、300、350、400和450 ℃的热台上加热2.5小时，其表面的红外探测温度仅为38.6、43.2、49.7、53.7和66.1 ℃，显著降低了高温目标的热辐射温度。此外，MXene膜在X-波段的总电磁屏蔽效能为65.58 dB，约72.3% 的入射电磁波通过MXene膜时被衰减，赋予三明治结构复合材料优异的电磁干扰屏蔽性能。此项研究为实现高温目标物的长效红外隐身提供了一种有效的途径。

图4 三明治结构复合材料的高温红外隐身及电磁屏蔽性能

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309269