氣凝膠相變隱身複合材料研究獲進展

根據Stefan-Boltzmann定律，單位面積輻射能量與發射率以及熱力學溫度的四次方成正比。因此，紅外隱身可以通過調節紅外發射率或調控溫度來實現。例如，製造具有微結構的特殊表面可以改變目標的紅外發射率，但微結構並不賦予目標可調的紅外發射率。量子阱、電致變色染料、相變材料等能夠動態調控紅外輻射，然而，在調諧過程中通常需要持續耗電，且響應速度慢、可調範圍窄、柔韌性差。此外，通過調控溫度可實現紅外隱身，然而隔熱毯等材料一般都比較厚重，易導致熱量積聚。可見，有效地隱藏目標，使其對熱紅外探測器不可見仍然面臨巨大挑戰。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同領導的氣凝膠團隊製備了一種具有高孔隙率（98%）和高比表面積（365.99 m2/g）的柔性氣凝膠薄膜，通過溶解杜邦TM的Kevlar獲得納米纖維溶膠，再經刮刀塗布、溶膠-凝膠及後續的冷凍乾燥過程獲得Kevlar氣凝膠薄膜。該氣凝膠具有優異的隔熱性能，室溫環境下，熱導率約為0.036 W/m·K，200μm厚的氣凝膠薄膜覆蓋在300°C的熱源上，氣凝膠表面溫度僅為220°C，溫差達到了80°C。與相變材料聚乙二醇複合並進行疏水化處理，製備出氣凝膠/相變複合薄膜，該相變複合薄膜：（1）相變焓高達179.1 J/g；（2）紅外發射率與多數環境背景匹配；（3）在3μm-15 μm紅外波段具有超低紅外透過率。在室外環境（如光照）下，用該複合薄膜覆蓋無發熱物體，可實現紅外隱身。對持續發熱物體（比如發動機），提出了氣凝膠隔熱層與相變複合薄膜疊加的組合結構：Kevlar氣凝膠薄膜具有優異的隔熱性能，根據目標與環境之間的溫度差異，選擇合適層數或者厚度的氣凝膠層，可將溫度降低至與環境溫度匹配；相變複合薄膜具有低紅外透過率，高溫目標發射的紅外光無法透過。因而覆蓋這種組合結構的高溫目標在紅外照片中也能實現紅外隱身。

根據使用場景，選用匹配的氣凝膠/相變複合薄膜，或者組合結構，即可實現紅外隱身，如圖所示。相關研究成果以Nanofibrous Kevlar Aerogel Films and Their Phase Change Composites for Highly Efficient Infrared Stealth為題，已在線發表於國際期刊ACS Nano（ACS Nano2019,13, 2236-2245），併入選ACS Editors』 Choice Article。

凱夫拉納米纖維氣凝膠薄膜的製備、與相變材料的複合及其隱身結構示意圖

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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