北京化工大学杨冬芝教授团队联合于中振教授团队开发了一种新型的光谱选择性和可调节图案的聚二甲基硅氧烷/MXene/纳米多孔聚四氟乙烯超织物(NMC)，该超织物具有动态红外隐身和热调节功能。这种超织物具有不对称结构，集成了“屏蔽红外隐身”和“补偿性热伪装”以适应温度变化场景。相关研究成果“Spectral-Selective and Adjustable Patterned Polydimethylsiloxane/MXene/Nanoporous Polytetrafluoroethylene Metafabric for Dynamic Infrared Camouflage and Thermal Regulation”发表在《Advanced Functional Materials》上。

研究背景

现代侦察技术对军事目标的安全构成日益严峻的威胁，尤其是红外侦察技术能够在各种环境下清晰识别目标。传统的伪装技术虽然在视觉隐藏方面取得了进展，但在红外隐身方面仍面临挑战。为了提高目标在不同环境和温度变化下的隐蔽性，迫切需要开发具有低红外辐射率和良好热调节能力的新型多功能伪装材料。 

本文亮点

1.开发了一种具有光谱选择性和可调节图案的聚二甲基硅氧烷/MXene/纳米多孔聚四氟乙烯超织物（NMC），这种超织物能够适应不同的温度环境，实现动态红外隐身和热调节。2.通过设计不对称的三层结构，实现了在低温环境中的“屏蔽红外隐身”和在高温背景下的“补偿性热伪装”，提供了一种灵活的伪装策略。其中，屏蔽红外隐身：NMC超织物通过MXene的低红外辐射率和图案化聚二甲基硅氧烷的热传递抑制，实现了低至约28%的红外辐射率，显著降低了目标与环境之间的辐射温差；补偿性热伪装：利用MXene的太阳能-热能/电热转换和外部PDMS的强辐射发射，适应高温背景的热能补偿。3. 多功能性：除了红外隐身和热调节，该超织物还展现出良好的电磁干扰屏蔽性能、机械灵活性、自清洁和抗氧化性。

图文解析    

图1.超织物(NMC)的屏蔽红外隐身和逆补偿热伪装原理图及制备与表征

三层不对称超织物的制备如图1所示，包括如下步骤：（1）制备Ti₃C₂TX MXene片：采用LiF/HCl溶液对Ti₃AlC₂粉末进行选择性地蚀刻来制备Ti₃C₂Tx MXene。（2）制备图案化的PDMS层：制备Sylgard 184硅橡胶和其固化剂的混合物，然后刮涂在平面模板和具有凹锥阵列和柱状阵列的图案化模板上，70°C烘干固化，得到FPDMS（平面PDMS）、CPDMS（锥形阵列PDMS）和LPDMS（柱状阵列PDMS）。（3）单面亲水改性NPTFE膜：采用粘合性多巴胺（PDA）对惰性的纳米多孔PTFE（NPTFE）膜进行单面亲水改性。将多巴胺缓冲溶液涂覆在NPTFE膜上，使其亲水化，然后将MXene浆料均匀涂覆在PDA改性的NPTFE膜上。（4）组装三层NPTFE/MXene/CPDMS超织物：将CPDMS层的平面一侧组装到MXene/NPTFE层上，经过固化和干燥，得到不对称结构的三层超织物。 

图2.不同PDMS薄膜结构对于热绝缘性能的影响

图2通过实验和模拟结果，展示了不同PDMS薄膜结构对热传递的影响，特别是锥形阵列结构在增强热绝缘性能方面的重要作用。这对于设计具有良好热管理能力的超织物至关重要。

图3.NMC超织物的屏蔽红外隐身与界面热管理原理及光学性能

屏蔽红外隐身原理：（1）低红外辐射率（Emissivity）：MXene层具有低红外辐射率，能够有效减少表面红外辐射，从而降低目标物体在红外探测器上的可见性；    （2）热绝缘（Thermal Insulation）：CPDMS层通过其锥形阵列结构提供热绝缘效果。锥形结构减少了与热源的接触面积，并通过空气层形成热绝缘屏障，减少热传导；（3）反射太阳光：NPTFE层具有高反射率，能够反射大部分太阳光，减少太阳能转化为热能，从而降低表面温度，进一步减少红外辐射。界面热管理原理：（1）太阳能-热能管理：NMC超织物通过NPTFE层的高反射率减少太阳能的吸收，同时通过MXene层的低红外辐射率减少热能的散失，实现界面热管理；（2）热传导抑制：CPDMS层的锥形阵列结构不仅提供热绝缘，还通过减少固体热传导和增强热辐射反射来抑制热传导到表面；（3）温度调节：通过调整NMC超织物的层数，可以进一步控制热传导和辐射，实现对目标物体表面温度的精细调节。光学性能：（1）高太阳光反射率：NPTFE层的纳米-微孔尺寸分布与可见光波长匹配，产生多次Mie共振，反射大部分太阳光，减少太阳能转化为热能；（2）低红外吸收：NPTFE层在8-14 μm的光谱范围内，主要通过C-F键振动吸收红外辐射，但这种吸收相对较低，有助于保持低红外辐射率；（3）光谱选择性：NMC超织物通过MXene层的低红外辐射率和NPTFE层的高太阳光反射率，实现了在可见光和红外波段的光谱选择性，既减少了热能的吸收，又降低了红外辐射。    对NMC超织物的红外隐身性能进行测试，在无太阳照射的25.5℃环境条件下，覆盖在36℃模拟皮肤上的单层NMC超织物表面辐射温度明显降低至≈28℃，甚至比实际表面温度低约5.3℃；在2小时内与环境温度仅保持≈2.5°C的微小温差，表现出了优异且稳定的红外隐身性能。为了评估NMC织物的热管理能力，在模拟太阳照射下，同时监测裸Mxene薄膜、NMC超织物和军用聚氨酯纺织品的表面辐射温度以及模拟皮肤界面的实际温度。结果发现NMC超织物的界面温度降至47℃，低于裸露皮肤与Mxene片的温度，接近聚氨酯的界面温度；而NMC超织物的表面辐射温度仅38℃，比聚氨酯纺织品低6℃，表明NMC具有良好的界面热调节能力。NMC超织物翻转过来就是CMN超织物。CMN超织物的外层CPDMS具有高太阳光透过率和红外发射率，可以充分吸收太阳光线，并强烈辐射MXene的光热/电热转换产生的热量到表面，主动补偿表面辐射能（通过切换0-4 V的实时电压实现焦耳加热），实现高温环境下的“补偿性热伪装”。对CMN的补偿性热伪装能力进行测试，结果发现覆盖军用聚氨酯纺织品的模拟皮肤由于表面温度较低，导致其暴露在50℃热背景下的红外图像中;而使用“BUCT”的太阳热CMN超织物后，它从红外图像中消失，表明CMN超织物具有良好的辐射能量逆补偿伪装能力。

全文总结

1.成功制备了一种新型动态红外隐身和热调节超织物，该超织物结合了低红外辐射率的MXene、图案化聚二甲基硅氧烷（PDMS）的热传递抑制特性以及纳米多孔聚四氟乙烯（NPTFE）的高太阳光反射能力，具有光谱选择性和可调节图案的不对称结构。    2.NMC超织物展现出了优异的红外隐身性能和界面热管理能力，能够在高温和低温环境中通过简单的翻转来实现动态红外伪装和热补偿，该超织物还具有电磁干扰屏蔽、抗氧化稳定性、机械灵活性和自清洁特性，使其在复杂环境中具有广泛的应用潜力。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202407644   

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