研究背景
随着航空航天与国防技术的飞速发展，开发能够同时抑制电磁干扰与红外辐射的轻质多功能材料具有重要意义。MXene气凝胶作为优异的电磁/红外双隐身材料，具有巨大的应用前景。根据热扩散系数公式：
，尽管MXene气凝胶的多孔结构赋予其低热导系数（
），但低密度（
）限制了MXene气凝胶热扩散系数的下降，导致在面对瞬态高温热冲击或持续加热时仍面临明显的温升问题。
文章要点
本工作通过冰模板组装法，将具有潜热吸收能力的相变微胶囊(Phase change microcapsules, PCCs)引入至MXene片层上，所制得的MXene/PCC复合气凝胶具有三维多孔结构，并且PCCs均匀分散在气凝胶骨架中，实现了0.0493 W·m⁻¹·K⁻¹的低热导率。同时，嵌入的PCCs通过固-液相变主动吸热，提升气凝胶的热容（28.38 J·g⁻¹·K⁻¹）并降低热扩散系数（0.08 mm⟡·s⁻¹），从而有效延缓了热传递。结合多孔隔热、相变吸热以及MXene的低红外发射率，该复合气凝胶显著增强了对瞬态热冲击的抵御能力：在120°C持续加热下，其底部区域温度比纯MXene气凝胶低9.67°C。此外，三维导电MXene网络提供了连续的电子通路及用于极化和多重反射的界面，同时PCCs有效吸收了电磁损耗产生的热量，实现了以反射为主导的电磁干扰屏蔽效能（35.44 dB）。本工作通过将PCCs嵌入MXene气凝胶骨架，构建了具有潜热吸收功能的气凝胶骨架，赋予了MXene气凝胶优异的红外隐身与电磁屏蔽性能。
图文展示
图1. MP复合气凝胶的(a)制备流程与(b)应用场景示意图：通过将相变微胶囊嵌入MXene气凝胶骨架，赋予材料电磁屏蔽与红外隐身的双重功能。
图2. MXene的(a) TEM图像与(b) AFM图像。(c) MXene与Ti₃AlC₂的XRD谱图。(d) PCCs的SEM图像及(e)粒径分布。(f) CNF、PCCs及CNF/PCC乳液的Zeta电位。(g-i) 不同比例CNF/PCC乳液的光学显微镜图像。
图3. (a1-a3) MC、(b1-b3) MP 2:1、(c1-c3) MP 1:1、(d1-d3) MP 1:2气凝胶的扫描电镜图像及(e)对应的孔径分布。
图4. (a) 傅里叶变换红外光谱；(b) O 1s 与 (c) N 1s 的X射线光电子能谱；(d) MP1:2 中MXene、CNF与PCCs之间氢键相互作用示意图。
图5. (a-b) PCCs与MP气凝胶的DSC曲线。(c) 熔融焓与结晶焓关系图。(d) MP1:2在不同循环次数下的DSC曲线。(e) XRD图谱。(f) PCCs在固-液相变过程中储能与释能的示意图。(g) DTG曲线。(h) MP1:2气凝胶在150 ℃热台上加热10分钟的红外热像图及(i) 对应的温度-时间曲线。
图6. (a) MC与MP气凝胶的密度；(b) MC与MP气凝胶的热导率；(c) PCCs、MC与MP气凝胶的比热容-时间曲线；(d) PCCs、MC与MP气凝胶的等效比热容；(e) MC与MP气凝胶的热扩散率；(f) MP气凝胶耐高温热冲击机制的示意图。
图7. (a) MC与MP1:2气凝胶分别在40°C、80°C及120°C环境下放置10分钟后的红外热像图；(b) 对应的温度-时间曲线；(c) MC与MP气凝胶在120°C下的红外隐身机理示意图；(d) 0分钟与3分钟时的三维温度分布图；(e) MXene、MC及MP1:2气凝胶的发射率值；(f) MP气凝胶的红外隐身机理；(g) MP1:2气凝胶作为红外隐身材料在军事装备防护中的实际应用示意图。
图8. (a) MC与MP气凝胶的总电磁干扰屏蔽效能；(b) MC与MP气凝胶的反射屏蔽效能、吸收屏蔽效能及总屏蔽效能；(c) MC与MP气凝胶的吸收、反射与透射系数；(d) MP气凝胶的电磁干扰屏蔽机理；(e) MP1:2气凝胶对电子产品的电磁干扰屏蔽效果；(f) MP气凝胶与其他材料综合性能的对比。
本工作以“Thermal-buffering phase change microcapsules embedded into MXene aerogels toward synchronous infrared stealth and electromagnetic shielding”为题发表在中科院一区期刊《Composites Part B: Engineering》 (IF:14.2)上。论文的第一作者为哆啦AV梦
2024级硕士生宋好好，通讯作者为哆啦AV梦
祁晓东副教授和王勇教授。
