深圳大学实现红外隐身兼容电磁屏蔽的柔性可穿戴复合纺织品

深圳大学闫培光教授团队、国防科技大学杨俊波教授团队、西南大学吴加贵教授团队和军事科学院梁一鸣团队共同设计了一款柔性可穿戴、红外隐身兼容电磁屏蔽的复合纺织品器件。这款复合纺织品的红外发射率低至0.1，在一定加热温度下最低发射率更低至0.07。它能够耐高温至500 °C，并实现红外隐身。在X波段（8~12.4 GHz）和Ka波段（26.5~40 GHz）的电磁屏蔽效能分别高达71.8 dB和75.02 dB，透过率低于10-7。此外，这款复合纺织品在太赫兹波段也有一定的电磁屏蔽效能，具有阻燃性和弯曲可穿戴特性，无论在军事还是民用领域都具有很好的应用前景。该研究成果已在Advanced Optical Materials期刊发表，深圳大学与国防科技大学联合培养研究生陈明星为第一作者，闫培光教授、杨俊波教授、吴加贵教授和梁一鸣老师为共同通信作者。

Ti3C2Tx 是一种二维碳氮化物过渡金属材料，因其高导电性和多活性基团而备受关注。当前，这种材料已被应用于电磁屏蔽、热管理等多个领域。然而，随着柔性智能设备的发展，Ti3C2Tx 在柔性智能领域上受到了限制。此外，由于雷达探测和红外探测方法的不同，目前能够兼容红外隐身和电磁屏蔽多波段应用的材料非常少。 研究团队成功制备了一种具有红外隐身和微波电磁屏蔽作用的复合纺织品，并对其性能进行了详细测试。该复合纺织品在红外波段表现出极低的发射率，在X波段、Ka波段和太赫兹波段均具有较高的电磁屏蔽性能；

此外，该纺织品还具有其他应用特性，如柔性可穿戴、阻燃性和耐高温性等，这些全新特性使其具有高温环境使用、表面自由包覆并能防火等功能。这一研究为红外隐身、电磁屏蔽以及柔性穿戴等领域提供了新的设计思路和技术支持。 如图1所示，制备的Ti3C2Tx 复合碳布纺织品具有红外隐身所需的低发射率以及微波电磁屏蔽所需的低透过率的特点。该纺织品表面覆盖有金纳米颗粒，通过短时间的磁控溅射过程制成。当电磁波照射到纺织品表面时，部分电磁波会被反射到表面外，而更多电磁波会进入Ti3C2Tx层并被多次反射、折射和衰减。碳纳米纤维布（简称“碳布”）作为微波反射层，能够将到达碳布的电磁波反射回Ti3C2Tx层，从而使得最终透射出去的电磁波极少，达到优良的电磁屏蔽效果。

在评估电磁屏蔽效能时，电磁屏蔽总效能（EMI SE）是一个重要的指标。在后续的实验部分将详细阐述这一指标。该纺织品的EMI SE超过了70 dB，证实了其优秀的电磁屏蔽效能。此外，在红外波段，由于表面是金纳米颗粒的存在，阻碍了自身红外辐射的传播。大量红外辐射被反射和散射，使得遮蔽物与背景红外辐射融为一体，进而实现了红外隐身效果。实现红外隐身兼容电磁屏蔽功能是本次工作中Ti3C2Tx复合碳布纺织品的主要应用。

图1 原理及应用 该团队将Ti3C2Tx二维过渡金属材料与碳布结合，通过真空过滤法或浸泡法进行制备，如图2所示。Ti3C2Tx材料是MXene材料的一种，其二维形貌、表面等具有足够的官能团，且导电性强，导电面积大，在研究中通过一些方式如真空过滤法、浸泡法等易于与其他材料形成复合材料，以提高目标材料的物理和化学性能。

图2 制备方法：(a)真空过滤法；（b）浸泡法 采用红外热成像仪观察时，样品本身的表面温度颜色与背景温度颜色融为一体，进而实现红外隐身。将制备出的样品进行检测，放在加热台加热，并用胶带把样品粘在加热台的铝板上，样品的表面温度与胶带温度形成对比。在样品上贴上胶带，除了能够实现温度对应的颜色对比作用，还能够将样品固定在加热台上。 本次实验采用的加热台板是铝板，其本身对于红外就是低吸收，所以除了胶带包裹的样品颜色较暗，胶带周围外的颜色也较暗，这是铝板对于红外低吸收的缘故。从图3(a)~图3(f)可知，所制备出的Ti3C2Tx复合碳布纺织品的红外成像与周围的颜色差距不大，颜色基本一致，且加上金纳米颗粒后红外图像颜色与周围环境颜色差距更小。再结合图3(g)测试的傅里叶变换红外光谱仪数据来看，在3-15 μm红外波段其吸收率低至0.1，能够实现红外隐身效果。图3(h)采用热重分析仪进行测试，总体来看失重率不高，在555 ℃时失重速率最大，由此可确定，该复合纺织品可耐高温500 ℃。

此外，本次工作辅以红外热成像仪直接测试复合纺织品在不同温度下的红外发射率，如表1所示。因为红外热像仪主要的红外窗口为8~14 μm，这也是红外探测器主要的工作范围，故只要在这个范围内能实现低红外发射率，基本上就能够大多数的市场应用。

表1 红外发射率测试

图3 碳布+Ti3C2Tx+Au及未镀金的红外热成像图、FTIR测试以及热重分析 电磁屏蔽，就是降低电磁波的透过率，通过大量的反射和吸收来降低透过率是常用的科学策略。因为Ti3C2Tx内部是层状结构，内部具有层间距，这样当微波打入到Ti3C2Tx材料时，能够被大量吸收且内部多次反射，实现信号的大量衰减。此外，根据红外隐身工作的结果，在Ti3C2Tx最外层加上一层金，金能够很好地反射微波，也能够很好地提高电磁屏蔽性能。根据这样的一个工作机理，结合上面的红外工作机理，Ti3C2Tx复合碳布这类的复合柔性材料，能够同时兼容红外隐身和电磁屏蔽性能，且具有柔韧性，对于军事领域等具有很大的贡献，有一定的可行性。在实现红外隐身的过程中，考虑到更低的发射率，采用在最外层镀一层薄薄的金膜。

图4 电磁屏蔽效能数据分析

在本研究中，附有金纳米颗粒的Ti3C2Tx复合碳布纺织材料展现出其在红外隐身、电磁屏蔽、阻燃和耐高温等方面的良好性能。实验结果表明，在3~14 μm的红外波段，其发射率低于0.10，在一定温度下最低发射率达到0.07。在微波波段方面，EMI屏蔽效能在X波段和Ka波段分别为71.8 dB和75.02 dB，主要以微波吸收损耗为主；在太赫兹波段，也有约30 dB的EMI屏蔽性能。 此外，该复合碳布纺织品还具有耐高温和阻燃性，可耐温度可达500°C，能够在高温环境下应用，且具有防火性能。由于复合碳布纺织品具有柔性可延展的特性，它可以应用于日常生活中屏蔽辐射，也可以作为一种柔性材料包覆在需要实现红外隐身、微波屏蔽的军事设备和电子设备上。因此，这种复合碳布纺织品为红外隐身兼容电磁屏蔽领域的发展提供了一种可行的思路和基础。 

审核编辑：刘清