研究速覽
■近日，系統工程研究院軍需工程技術研究所肖紅課題組，在國際知名期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上發表題為「Nanoarchitectonics of integrated impedance gradient MXene/PPy/polyester composite fabric for enhanced microwave absorption performances」的研究論文。該論文創新提出一體化阻抗漸變吸波結構的設計。通過PET間隔織物為基體，MXene做導電填料，PPy做阻抗調節劑，在織物厚度方向上一次性形成有利於電磁波逐級吸收的阻抗漸變結構，並通過EDS,電磁參數的測試得以證實。
▉ 研究摘要 ▉
■MXene因其獨特的層狀結構，高電導率被認為是一種具有良好的電磁屏蔽及吸波應用前景的二維材料。但是對於MXene的高導電性易引起材料表面與自由空間的阻抗失配，引起電磁波的反射，造成二次電磁污染。常需要多重吸波劑的調控或多層結構來調節阻抗使電磁波吸收最大化。與傳統的多層阻抗漸變材料不同，該工作以PET間隔織物為基體，MXene為導電填料，聚吡咯為阻抗調節劑，構建了一體化阻抗漸變複合織物(MP-IIGF)。阻抗漸變結構與複合材料吸收體的協同設計不僅使材料能夠吸波，而且使複合材料具有隔熱帶來的紅外隱身潛力。MP-IIGF-2在8.04 GHz處的反射損耗為-27.96 dB，有效吸收帶寬覆蓋整個X波段。該工作實現了在織物厚度方向上的連續阻抗梯度分布，解決了傳統多層微波吸收材料層間存在空氣介質、易分離、阻抗階躍等問題。
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▉ 研究要點1 ▉
■在氧化劑作用下，吡咯單體首先在織物的底層聚合，隨着單體的向上揮發，吡咯從織物的底層逐漸聚合到織物的頂部，導致PPy的濃度梯度分布。通過對間隔絲縱向上形貌觀察和能譜分析，可以看到PPy的含量從織物底部到頂部濃度遞減分布。並通過將織物不同面朝向電磁波入射端進行測試，以及將織物從厚度方向上切片分層測試結果可以看到，MP-IIGF表現出明顯的各項異性。且靠近吡咯的底端的輸入阻抗更接近於空氣，阻抗匹配較好。
圖1. MP-IIGF厚度方向的不同放大倍率(a, b) SEM和EDS (c)
圖2. MP-IIGF的各向異性及阻抗漸變測試. MP-IIGF厚度方向的不同放大倍率(a, b) SEM和EDS (c)
▉ 研究要點2 ▉
■作者通過對比實驗證明了相較於單一的MXene織物和PPy織物，MP-IIGF的吸波性能得到明顯的改善。克服了單一吸波劑損耗機制單一的限制。與傳統吸波材料相比，MP-IIGF不僅表現出優異的電磁波吸收特性，還保持了織物原有的透氣、柔韌性，輕質特性。
圖3. MP-IIGF實物圖及吸波性能對比
▉ 研究要點3 ▉
■良好的隔熱性能是隱身材料的另一個重要特性，它可以消除紅外探測，減少目標暴露。將MP-IIGF與PU海綿、棉絮片和滌綸間隔織物等商用隔熱材料進行了比較。隨着溫度50 ℃,75 ℃,100 ℃的升高，MP-IIGF的溫度從35.2 ℃、40.3 ℃提高到55.7 ℃，大大低於熱台溫度。另外，將MP-IIGF置於手掌和手指，MP-IIGF位置為紫色，與周圍環境顏色一致，由此可見，MP-IIGF具有優良的隔熱性能不僅可以保護目標免受高溫損傷，而且賦予材料紅外隱身功能。
圖 4. MP-IIGF在加熱台及手部的熱紅外圖像分析
▉ 研究總結 ▉
■作者創新性地提出並成功製備了一種一體化阻抗漸變吸波織物。吡咯單體在織物厚度方向進行濃度梯度聚合，使聚吡咯濃度自下而上降低，實現了阻抗連續漸變。一體化阻抗漸變的結構設計不僅改善了多層複合材料層間結合牢度差的問題，而且消除了空氣介質的影響，減小了阻抗階躍過大的問題。MP-IIGF-2在8.04 GHz時的最小RL值為-27.96 dB，EAB覆蓋整個X波段。因此，一體化阻抗漸變製備技術可以為輕質、柔性、吸收強、吸波頻帶寬的吸波材料的提供設計思路。具有增強微波吸收特性的MP-IIGF不僅在武器裝備、電磁防護服等方面有很大的應用價值，而且良好的隔熱性能使其同時實現紅外隱身成為可能。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107163
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