隨著紅外探測技術(shù)的飛速發(fā)展，熱偽裝與紅外隱身技術(shù)/材料引起了廣泛關(guān)注。紅外探測的工作原理是通過捕捉物體發(fā)射的中紅外波段(7~14 μm)紅外線，然后成像識別物體。通常來講，熱偽裝是通過減小物體與環(huán)境的紅外熱輻射差異來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：P=εσT4，其中，P為熱輻射能量，σ是玻爾茲曼常數(shù)，ε是物體表面紅外發(fā)射率，T是熱力學(xué)溫度。物體的熱輻射能量直接由其ε和T4決定?？梢姡瑢?shí)現(xiàn)高溫物體的熱偽裝具有更大的挑戰(zhàn)性。目前，已經(jīng)有大量關(guān)于熱偽裝材料的報(bào)道，但其依然具有以下缺點(diǎn)：（1）相變材料的使用溫度相對較低；（2）氣凝膠或泡沫等隔熱材料厚度較大；（3）金屬薄膜或涂層雖然具有較低的紅外發(fā)射率，但易腐蝕、密度大且難加工；（4）光子晶體等超材料制備工藝復(fù)雜、成本高。目前，利用超薄薄膜或涂層實(shí)現(xiàn)高溫物體的熱偽裝仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
近日，鄭州大學(xué)材料學(xué)院王建峰副教授和王萬杰教授團(tuán)隊(duì)率先報(bào)道了Ti3C2Tx MXene的紅外低發(fā)射特性（7~14 μm波段范圍內(nèi)發(fā)射率為0.19），與不銹鋼薄膜相當(dāng)，遠(yuǎn)低于石墨烯、氧化石墨烯以及納米蒙脫土等二維材料。在較寬的溫度范圍內(nèi)（-10 ℃到500 ℃），1 μm厚的超薄柔性MXene薄膜以及超薄MXene涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的、長時(shí)間穩(wěn)定的室內(nèi)/室外熱偽裝性能，能使500℃高溫物體的輻射溫度降低300℃以上，優(yōu)于已報(bào)道的熱偽裝薄膜/涂層材料。同時(shí)，MXene薄膜/涂層具有優(yōu)異的可熱偽裝的電加熱和高效的電磁波屏蔽性能。該論文為基于超薄薄膜/涂層材料實(shí)現(xiàn)高溫物體的熱偽裝提供了有效策略，展示了MXene材料在熱偽裝、紅外隱身、輻射加熱、紅外信號傳輸、安全防護(hù)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。該研究以“Ultrathin Titanium Carbide (MXene) Films for High-Temperature Thermal Camouflage” 為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202101381）。
圖1. 圖文摘要
圖2.（a）熱偽裝原理示意圖；（b）MXene納米片的TEM圖；（c）MXene薄膜的電子照片；（d，e）MXene薄膜斷面的SEM圖；（f）MXene等不同材料的紅外發(fā)射率
圖3. 不同厚度MXene薄膜的室內(nèi)/室外熱偽裝性能
將MXene薄膜放置在不同溫度的物體上，當(dāng)目標(biāo)物體輻射溫度為510.9 ℃時(shí)，29 μm厚MXene薄膜的表面輻射溫度為196.4 ℃，將目標(biāo)物體的輻射溫度降低了314.5 ℃。此外，隨著MXene薄膜厚度的減小，放置在同一高溫目標(biāo)物體上的MXene薄膜的輻射溫度逐漸升高。但即便厚度低至1 μm時(shí)，MXene薄膜依然表現(xiàn)出優(yōu)異的熱偽裝性能，可以將高溫目標(biāo)物體（510.9 ℃）的輻射溫度降低近300 ℃。同時(shí)，在室外環(huán)境（9 ℃）中，MXene薄膜的熱偽裝性能要優(yōu)于其室內(nèi)環(huán)境中的熱偽裝性能，當(dāng)目標(biāo)物體的輻射溫度分別為514 ℃，29 μm厚的MXene薄膜的輻射溫度為170.3 ℃。
圖4. MXene薄膜的高溫?zé)醾窝b穩(wěn)定性
MXene薄膜的高溫?zé)醾窝b性能具有長時(shí)間高溫穩(wěn)定性。將29 μm厚的MXene薄膜放置在510.9 ℃的目標(biāo)物體上10 h，MXene薄膜的輻射溫度沒有發(fā)生較大變化，隨后將加熱10 h后的MXene薄膜放在酒精燈下燃燒180 s后再放置在高溫目標(biāo)物體上，其仍具有良好的熱偽裝性能。MXene薄膜經(jīng)過不同溫度的退火后，仍能保持相對較好的高溫?zé)醾窝b性能。此外，在500 ℃下進(jìn)行了5 天的老化實(shí)驗(yàn)表明，隨著老化天數(shù)的增加，MXene薄膜的熱偽裝性能逐漸變差，但5 天后仍能保持相對較好的高溫?zé)醾窝b性能。
圖5. MXene薄膜熱偽裝性能與其他材料對比
MXene薄膜的熱偽裝性能幾乎與不銹鋼薄膜媲美，并且優(yōu)于包括石墨烯在內(nèi)的其他的二維材料。同時(shí)，本文制備的超薄MXene薄膜的熱偽裝性能優(yōu)于目前絕大多數(shù)已報(bào)道的熱偽裝材料或熱偽裝系統(tǒng)，特別是當(dāng)厚度低于10 μm時(shí)。
圖6. MXene薄膜的熱偽裝應(yīng)用
MXene薄膜在較寬溫度范圍內(nèi)（-10 ℃到500 ℃）都具有很好的熱偽裝效果。此外，由于MXene薄膜具有良好的柔韌性，將其裁剪成字母狀的“MXene”并放在高溫物體上，“MXene”字母可以在紅外相機(jī)中清晰地顯示出來。同時(shí)，MXene分散液也可作為可印刷的熱偽裝墨水直接涂抹在聚合物、金屬、陶瓷板等基底上，并表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫?zé)醾窝b性能。在陶瓷板書寫上字母“ZZU”，隨后將陶瓷片放在高溫目標(biāo)上（508 ℃）時(shí)，“ZZU”同樣在紅外相機(jī)中清晰地顯示出來，展現(xiàn)了MXene在紅外信號傳遞方面的巨大應(yīng)用潛力。此外， MXene薄膜的高導(dǎo)電性使其展現(xiàn)出優(yōu)異的可熱偽裝的電加熱性能，在軍事領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。
該論文第一作者為鄭州大學(xué)材料學(xué)院碩士生李雷，通訊作者為鄭州大學(xué)材料學(xué)院王建峰副教授和王萬杰教授。研究得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后特別資助/面上基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)、高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101381。
