郑州大学王建峰/王万杰AFM：红外低发射率MXene用于热伪装与红外隐身
随着红外探测技术的飞速发展，热伪装与红外隐身技术/材料引起了广泛关注。红外探测的工作原理是通过捕捉物体发射的中红外波段(7~14 μm)红外线，然后成像识别物体。通常来讲，热伪装是通过减小物体与环境的红外热辐射差异来实现的。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：P=εσT4，其中，P为热辐射能量，σ是玻尔兹曼常数，ε是物体表面红外发射率，T是热力学温度。物体的热辐射能量直接由其ε和T4决定。可见，实现高温物体的热伪装具有更大的挑战性。目前，已经有大量关于热伪装材料的报道，但其依然具有以下缺点：（1）相变材料的使用温度相对较低；（2）气凝胶或泡沫等隔热材料厚度较大；（3）金属薄膜或涂层虽然具有较低的红外发射率，但易腐蚀、密度大且难加工；（4）光子晶体等超材料制备工艺复杂、成本高。目前，利用超薄薄膜或涂层实现高温物体的热伪装仍然是一个巨大挑战。
近日，郑州大学材料学院王建峰副教授和王万杰教授团队率先报道了Ti3C2Tx MXene的红外低发射特性（7~14 μm波段范围内发射率为0.19），与不锈钢薄膜相当，远低于石墨烯、氧化石墨烯以及纳米蒙脱土等二维材料。在较宽的温度范围内（-10 ℃到500 ℃），1 μm厚的超薄柔性MXene薄膜以及超薄MXene涂层展现出优异的、长时间稳定的室内/室外热伪装性能，能使500℃高温物体的辐射温度降低300℃以上，优于已报道的热伪装薄膜/涂层材料。同时，MXene薄膜/涂层具有优异的可热伪装的电加热和高效的电磁波屏蔽性能。该论文为基于超薄薄膜/涂层材料实现高温物体的热伪装提供了有效策略，展示了MXene材料在热伪装、红外隐身、辐射加热、红外信号传输、安全防护等领域的巨大应用潜力。该研究以“Ultrathin Titanium Carbide (MXene) Films for High-Temperature Thermal Camouflage” 为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202101381）。
图1. 图文摘要
图2.（a）热伪装原理示意图；（b）MXene纳米片的TEM图；（c）MXene薄膜的电子照片；（d，e）MXene薄膜断面的SEM图；（f）MXene等不同材料的红外发射率
图3. 不同厚度MXene薄膜的室内/室外热伪装性能
将MXene薄膜放置在不同温度的物体上，当目标物体辐射温度为510.9 ℃时，29 μm厚MXene薄膜的表面辐射温度为196.4 ℃，将目标物体的辐射温度降低了314.5 ℃。此外，随着MXene薄膜厚度的减小，放置在同一高温目标物体上的MXene薄膜的辐射温度逐渐升高。但即便厚度低至1 μm时，MXene薄膜依然表现出优异的热伪装性能，可以将高温目标物体（510.9 ℃）的辐射温度降低近300 ℃。同时，在室外环境（9 ℃）中，MXene薄膜的热伪装性能要优于其室内环境中的热伪装性能，当目标物体的辐射温度分别为514 ℃，29 μm厚的MXene薄膜的辐射温度为170.3 ℃。
图4. MXene薄膜的高温热伪装稳定性
MXene薄膜的高温热伪装性能具有长时间高温稳定性。将29 μm厚的MXene薄膜放置在510.9 ℃的目标物体上10 h，MXene薄膜的辐射温度没有发生较大变化，随后将加热10 h后的MXene薄膜放在酒精灯下燃烧180 s后再放置在高温目标物体上，其仍具有良好的热伪装性能。MXene薄膜经过不同温度的退火后，仍能保持相对较好的高温热伪装性能。此外，在500 ℃下进行了5 天的老化实验表明，随着老化天数的增加，MXene薄膜的热伪装性能逐渐变差，但5 天后仍能保持相对较好的高温热伪装性能。
图5. MXene薄膜热伪装性能与其他材料对比
MXene薄膜的热伪装性能几乎与不锈钢薄膜媲美，并且优于包括石墨烯在内的其他的二维材料。同时，本文制备的超薄MXene薄膜的热伪装性能优于目前绝大多数已报道的热伪装材料或热伪装系统，特别是当厚度低于10 μm时。
图6. MXene薄膜的热伪装应用
MXene薄膜在较宽温度范围内（-10 ℃到500 ℃）都具有很好的热伪装效果。此外，由于MXene薄膜具有良好的柔韧性，将其裁剪成字母状的“MXene”并放在高温物体上，“MXene”字母可以在红外相机中清晰地显示出来。同时，MXene分散液也可作为可印刷的热伪装墨水直接涂抹在聚合物、金属、陶瓷板等基底上，并表现出优异的高温热伪装性能。在陶瓷板书写上字母“ZZU”，随后将陶瓷片放在高温目标上（508 ℃）时，“ZZU”同样在红外相机中清晰地显示出来，展现了MXene在红外信号传递方面的巨大应用潜力。此外， MXene薄膜的高导电性使其展现出优异的可热伪装的电加热性能，在军事领域具有极大的应用潜力。
该论文第一作者为郑州大学材料学院硕士生李雷，通讯作者为郑州大学材料学院王建峰副教授和王万杰教授。研究得到国家自然科学基金、中国博士后特别资助/面上基金、河南省重点研发与推广专项、高分子材料工程国家重点实验室开放课题等项目支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101381
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