SmartMat |研究论文：用于强高温电磁红外双隐身板材的有序桥联MXene片晶
学术
科技
2024-11-22 13:12
天津
Yushan Yang, Kaicong Chen, Yipeng Chen, Chao Wang, Baokang Dang, Yingying Li, Ming Liu, Qingfeng Sun. Sequentially bridged MXene platelets for strong high-temperature EM-IR bi-stealth sheets. SmartMat. 2023; 4:e1207.
https://doi.org/10.1002/smm2.1207
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电磁(EM)和红外(IR)隐身等柔性多功能隐身技术的综合性能对航空航天、军事和电子领域的发展至关重要，但综合技术仍面临重大挑战。在本文中，我们成功地设计并合成了高度柔性的MXene@纤维素片层/硼酸根离子(MXCB)片层，通过氢键和共价键的连续桥接，具有很强的高温红外双隐身性。所得MXCB片材显示出高导电性和良好的机械特性，例如柔韧性、拉伸性、抗疲劳性和超声波损伤性。MXCB板具有795 MPa的高抗拉强度。此外，不同厚度的MXCB板显示出优异的高温热伪装特性。这将目标物体的辐射温度(> 300 ℃)降低到100 ℃。具有3微米厚度的MXCB板的电导率为6108 S/cm，EM干扰(EMI)屏蔽值为39.74 dB。归一化表面特定EMI SE绝对屏蔽效能(SSE/t)高达39312.78 dB cm2 /g，即使在10000次重复折叠后仍保持99.39%。这些多功能超薄MXCB板可以通过真空辅助感应排列，形成电磁红外双隐身片材。
图 1. Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/纤维素片层（CL）和MXene@cellulose片层/硼酸盐离子（MXCB）片层的制备示意图。(A) Ti3C2Tx板材示意图。利用Ti3AlC2 MAX选择性蚀刻Al原子，用盐酸（HCl）和氟化锂（LiF）原位形成HF，以羟基、氧或氟取代其表面末端（Tx），得到分层Ti3C2Tx MXene。此外，采用真空辅助过滤法制备了Ti3C2Tx MXene薄膜。(B)首先使用真空辅助过滤将MXene/CL分散体处理成MXene/CL片材。然后将硼酸盐离子渗透到Mxene/CL片材中，生成MXCB片材。(C) Ti3C2Tx/CL片材示意图。(D) MXCB板示意图。图 2. MXene@纤维素片层/硼酸盐离子（MXCB）薄片的结构表征。(A) Cu-Kα辐射下Ti3AlC2 MAX、Ti3C2Tx MXene和MXCB薄片的X射线衍射（XRD）曲线。(B)脱层Ti3C2Tx颗粒的扫描电镜（SEM）。(C) MXene/纤维素片层（CL）杂交构建块的原子力显微镜（AFM）图像。(C)中MXene/CL混合构建块的高度分布图显示其厚度为1.5 nm。(D)一张MXCB纸的照片。(E)显示柔韧性的MXCB片材照片。(F) MXCB薄片的低分辨率SEM图像。(G) MXCB薄片的高分辨率SEM图像。(H)截面能量色散X射线能谱（EDS）(G)图中红色区域B元素的元素分布。(I)聚焦离子束（FIB）切割MXCB薄片的截面SEM图像。(J)纯MXene薄片和MXCB薄片的孔隙率由密度测量得出。(K) MXene和MXCB片材在水中声波作用2h前后的照片，证明其防水性能。
图 3. MXene@纤维素片层/硼酸盐离子（MXCB）薄片的力学特性。(A) MXCB片材在水中浸泡24 h后的典型拉伸应变曲线。(B) MXCB片材在水中浸泡24 h后的杨氏模量。(C)浸水24 h后MXCB片材抗拉强度与浸水前的百分比。(D) MXCB板的力-挠度曲线。插图显示了原子力显微镜（AFM）图像的穿孔MXCB片没有灾难性的破裂。(E)纯MXene片材（0 wt%纤维素含量）和MXCB片材的杨氏模量。(F) MXCB片材的光学图像，可以承受1000 g的重量，表现出优异的机械性能。
图 4. MXene@纤维素片层/硼酸盐离子（MXCB）片层的抗机械损伤性能及断裂机理。(A)完整的真折叠过程示意图和机器上一个折叠周期的光学图像。(B) MXCB板的破坏循环次数和最大应力水平。(C)重复折叠循环的电导率。(D)含有不同纤维素片层（CL）的MXCB薄片在500次重复折叠后的代表性应力-应变曲线。(E)不同CL含量的MXCB片材的杨氏模量。(F) 500次重复折叠后MXCB片材抗拉强度百分比。(G) MXCB板材在模拟拉伸过程中的模型快照。图 5. MXene@纤维素片层/硼酸盐离子（MXCB）薄片的高温热防护和红外隐身性。(A)闭式电炉温度-时间曲线及不同厚度MXCB板背面中心点的远红外数字显示。插图展示了一个自制的温度测量和红外图像测量平台，包括一个远红外数字封闭炉，一个红外温度计和一个红外成像仪。MXCB片材厚度分别为3、6、9、12和15 µm，辐射温度约为300 ℃时的红外热像图。（B-F）厚度为(B) 3、(C) 6、(D) 9、(E) 12、(F) 15 µm时MXCB片材的热伪装能力。(G)不同厚度MXCB片材的室内辐射温度测量。(H)相对于物体辐射温度、还原值、厚度的热伪装性能。(I)考虑了辐射温度与厚度的关系。(J) MXCB片材的高热伪装机理。图 6. MXene@纤维素片层/硼酸盐离子（MXCB）薄片的电磁（EM）性能。(A)不同纤维素片层（CL）含量（0~100 wt %）的MXCB片的电导率。(B) CL含量为0%~100%的~3 μm MXCB片材的EMI SE。(C) 8.2~12.4 GHz不同CL的MXCB片材的平均电磁干扰（EMI） SE。(D)其他MXene薄片（5±0.3 μm‐厚）在8.2-12.4 GHz下的平均EMI SET。(E) MXCB片材（红色五角星）与先前报道的MXene片材的杨氏模量和EMI SE的比较。(F)比较屏蔽效能（SSE）与MXCB片材（红色五角星）的厚度（SSE/t）和厚度之间的关系，以及先前报道的MXene基材料、碳基材料和金属基材料。(G) MXCB片材屏蔽电磁干扰机理示意图。
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作者简介
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孙庆丰，教授，博士生导师。现任浙江农林大学化学与材料工程学院院长、党委副书记，国家木质资源综合利用工程技术研究中心副主任、浙江省木材科学与技术重点实验室副主任，中国林学会木材科学分会委员、中国林学会生物质材料科学分会委员。专项人才特聘教授、浙江省“钱江学者”特聘教授（2016年度）、浙江省“万人计划”青年拔尖人才（2017年度）、浙江省高等学校中青年学科带头人（2017年度）、浙江省高等学校“院士结对培养青年英才计划”（2018年度），浙江省杰出青年科学基金（2019年度）。获中国林业青年科技奖、梁希林业科学技术二等奖、中国产学研合作创新奖、浙江省科学技术进步奖二等奖等奖项。主要从事木材仿生智能科学及木材纳米结构解译方面的研究。
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