吸波材料可通過吸收輻射到材料表面的電磁波,降低目標的電磁特征信號,從而提升武器裝備的戰場生存能力,是目前軍事裝備技術領域的重點發展方向。然而,現有吸波材料大多屬于“被動式”,即材料被制備出來后,其工作頻段、吸收帶寬等各種參數均隨之固定。而戰場環境和武器裝備的使用場景是復雜多變的,僅僅依靠一成不變的“被動式”吸波材料難以實現重要的戰略/戰術目標。相比之下,具有隱身性能動態可控,吸波/透波效果可隨使用場景智能變化的主動吸波材料,越來越顯示出應用價值,也是未來隱身材料領域的發展前沿。

南開大學黃毅教授團隊長期致力于新型電磁功能材料的研究,于2015年率先發展了基于三維石墨烯的寬頻雷達隱身材料,實現了吸波強度和有效吸波頻段智能可調(Adv. Mater., 2015, 27, 2049);2018年首次報導了石墨烯復合材料的高效、超寬頻太赫茲吸波性能(Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363);2022年突破了新型二維磁性材料Fe 3GeTe 2的宏量制備方法,并率先獲得了對微波/太赫茲的高效吸收/屏蔽,實現了寬帶雷達散射截面的有效縮減(ACS Nano,2022,16, 7861)。

南開大學黃毅教授《AFM》:智能開關可切換吸波材料

日前,南開大學黃毅教授團隊發展了一種基于石墨烯/二氧化釩復合氣凝膠的智能吸波材料。在升溫過程中(30℃到120℃),二氧化釩(VO2)展現出獨特的相變行為(單斜相到金紅石相),同時也為復合氣凝膠帶來導電率/電磁參數的巨大變化,最終賦予了其吸波性能隨溫度變化的“開啟/關閉”智能切換效果。值得注意的是,在“開啟/關閉”過程中,復合氣凝膠的有效吸收帶寬和反射損耗值的最大變化(ΔEAB和ΔRL)高達7.27GHz和49dB,遠遠超過傳統吸波材料。相關研究以題為“Intelligent Off/On Switchable Microwave Absorption Performance of Reduced Graphene Oxide/VO 2 Composite Aerogel”的論文發表在Advanced Functional Materials。

圖1. 石墨烯/VO2復合氣凝膠的制備示意圖
圖1. 石墨烯/VO2復合氣凝膠的制備示意圖

研究者首先將VO 2進行氨基化修飾,然后與GO溶液混合,通過溶劑熱反應制備了復合氣凝膠,其中VO 2 納米顆粒以共價鍵形式“鉚釘”在了石墨烯片表面。通過原位升溫XRD和DSC等表征技術,證實了VO 2在氣凝膠內部仍然可以發生單斜相到金紅石相的相變行為,相變溫度為67.8℃。

圖2. 復合氣凝膠的原位XRD和DSC表征
圖2. 復合氣凝膠的原位XRD和DSC表征
圖3. G/VA-300(300℃退火)的電磁參數隨溫度變化
圖3. G/VA-300(300℃退火)的電磁參數隨溫度變化

這種變化的電磁參數也帶來了吸波性能的變化。其中,當氣凝膠厚度在4.3mm和5mm時,其在30℃的EAB分別為6.08GHz和5.12GHz,而在120℃的EAB均降至0GHz,從而實現了吸波性能的“開啟”(30℃)到“關閉”(120℃)狀態變化。另外,當材料厚度為2.82mm時,其最低RL值也由-61.9dB(30℃)提升到-12.9dB(120℃),兩者相差高達49dB。經過分析發現,這種“開啟”到“關閉”的狀態變化來源于升溫過程中材料阻抗匹配性質的弱化。

圖4. G/VA-300(300℃退火)的吸波性能隨溫度變化
圖4. G/VA-300(300℃退火)的吸波性能隨溫度變化

除了升溫過程中“開啟”到“關閉”的狀態變化,研究者還發現未進行退火處理的復合氣凝膠在升溫過程中可發生“關閉”到“開啟”的吸波性能變化。由于其在室溫環境中(30℃)導電性較弱,電磁參數較低,因此其對電磁波的損耗性質不足,在3mm和4mm時的EAB為0GHz。而得益于升溫過程中VO2的相變行為,電磁參數逐漸提高,對電磁波的損耗性質也逐漸增加,在120℃時的EAB分別達到4.52GHz和7.27GHz,最終實現了升溫過程中“關閉”到“開啟”的吸波狀態變化。當厚度為5.8mm時,其在30℃/120℃時的RL變化高達37dB。

圖5. G/VA-300(未退火處理)的吸波性能隨溫度變化
圖5. G/VA-300(未退火處理)的吸波性能隨溫度變化

此外,研究者還基于F16戰斗機的模型進行了RCS模擬,進一步證實了該氣凝膠在不同溫度環境下的智能隱身特性。

圖6 基于某戰斗機的RCS模擬
圖6 基于某戰斗機的RCS模擬

小結:研究者基于VO2在升溫過程中的相變行為,提出了一種智能開關可切換吸波材料的制備方法。相關研究可為智能電磁器件、下一代吸波/屏蔽材料的發展提供新的思路。

作者簡介:

黃毅,南開大學材料學院教授,副院長。先后承擔了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、973、863、國際合作、和國防重點項目等20余項課題。在新型低維納米材料的合成、電磁性質調控、高性能吸波/屏蔽材料等方面取得了系列創新成果,并拓展了其在電子信息、航空航天及國防等領域的應用。近年來,在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等刊物發表論文150余篇,先后有22篇文章入選ESI高被引論文,共被引用23000余次,H因子55,入選科睿唯安 “全球高被引科學家”及愛思唯爾“中國高被引學者”。2018年獲國家自然科學二等獎(R3),獲得天津市自然科學一等獎兩項(2015,2010)和二等獎一項(2021)。

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