西工大采用3D打印开发出红外隐身和电磁屏蔽材料

3D打印技术参考注意到，西北工业大学联合新加坡南洋理工大学近日在抗电磁干扰屏蔽材料的结构精度和性能可调方面取得进展。研究团队采用3D打印技术制备的气凝胶材料表现出可逆的红外隐形和动态可切换的热性能以及抗电磁干扰能力。这项工作为恶劣环境保护、智能热隐形和下一代航空航天与通信技术的自适应屏蔽提供了有前途的应用。

应用背景

如果一种材料能够同时屏蔽电磁波和红外辐射，从而提供全面的隐身能力，那么在航空航天、无人机、船舶等领域将具有很高的战略意义。

首先，红外隐身目前是通过降低目标表面的红外发射率或调节目标的表面温度来实现的，例如加入低发射率涂层和使用气凝胶绝缘材料。然而，单一的调节方法无法满足高温目标长期红外隐身的要求，因此两种方法的结合具有重要意义。

其次，在电磁屏蔽方面，聚合物复合材料因重量轻、耐腐蚀和易于加工正逐渐取代传统的金属材质。虽然聚合物电磁屏蔽复合材料的开发取得了重大进展，但实际上仍存在许多挑战——主要是如何实现电磁屏蔽材料的结构设计可控和性能灵活可调，这两者是确保电磁屏蔽材料广泛适用性的关键。

3D打印技术相比与传统制造方法，具有效率高、易于定制、方便制造复杂结构等的优点。其中，直接墨写（DIW）3D打印技术是一种可行的技术手段，该技术非常适合配制屏蔽材料的微观结构和成分，来实现最佳性能。西工大此次的研究成果，便是借助DIW 3D打印技术制造出的气凝胶材料兼具电磁屏蔽和红外隐身效果。

3D打印制备材料梯度蜂窝结构

研究人员确定了构建气凝胶和实现电磁屏蔽的材料组分以及结构，配制墨水后采用DIW技术进行3D打印。

具体的说，研究人员调配了两种“墨水”——AgNW/CCMC（银纳米线/羧甲基纤维素钠）和Ti₃C₂Tₓ/Fe₃O₄/CCMC（MXene/四氧化三铁/羧甲基纤维素钠），并控制不同的打印参数，将它们层层堆叠打印成规整的蜂窝结构凝胶（上下层材料成分不同）。随后，经过真空冷冻干燥，获得气凝胶。研究人员随之测试了气凝胶的电磁屏蔽性能、红外隐身性能。

电磁屏蔽与红外隐身性能测试

在电磁屏蔽方面，气凝胶在35%的打印填充密度、40wt%的Ti3C2Tx含量和60%的压缩应变下，实现了80dB的最优屏蔽效果。通过改变打印填充密度和Ti3C2Tx含量，可以调节气凝胶的屏蔽性能，显示出良好的可调节性。压缩应变的增加可以进一步提高屏蔽效果，这主要是由于压缩后材料内部的导电/磁性通路更加密集。

在红外隐身方面，气凝胶的上层（Ti3C2Tx/Fe3O4/CCMC）具有较低的红外发射率（约49%），显著降低了红外辐射，增强了红外隐身性能。研究人员通过将制备出的气凝胶覆盖放置在95℃高温台上的飞机模型，进一步验证了气凝胶的红外隐形特性。最初，气凝胶在飞机模型上的表面温度为35.1°C。持续加热10分钟后，气凝胶的表面温度略有上升，分别为35.5和35.6℃，温度上升幅度很小。气凝胶的表面辐射颜色仍为蓝色，与环境温度接近，表现出良好的红外隐身效果。

隔热-导热可转换，热管理能力稳定出色

气凝胶材料具有可逆的热管理功能，即在在炎热潮湿的环境中，它可以起到导热效果；而在干燥寒冷的环境中，却能有效减少热量损失。这对于跨工作环境的应用，如大型船舶发动机、电池等具有重要应用价值。

研究人员进一步验证了3D打印的气凝胶材料的导热/隔热能力。在干燥环境中，所开发的气凝胶的导热系数低至0.08W/(m·K)，表现出优异的隔热性能。在潮湿环境中，其导热系数值高达0.67 W/(m·K)，增量为8.4 倍，表明其具有良好的导热性。这项测试证明了采用3D打印技术制造的气凝胶具有环境响应性。在循环期间，两个环境中稳定的导热系数也表现出出色的稳定性。

为了进一步验证，研究人员将气凝胶放置在75℃的热台上，使用红外热成像仪记录其表面温度变化。结果显示，在干燥环境中，气凝胶的表面温度在100秒内从37°C微升至38°C。然而，在潮湿的环境中，气凝胶的表面温度能在100秒内从37摄氏度提升到49摄氏度，这说明气凝胶具有非常好的导热性，同时也体现了较好的可逆热管理性能。

总的来说，研究人员制备的蜂窝结构（Ti₃C₂Tx/Fe₃O₄/CCMC）-（AgNW/CCMC）气凝胶，在多条件下表现出较高的电磁屏蔽性能，且可逆的热管理功能使其具有出色的红外#隐身性能。这一技术可在海洋、航空航天以及隐形技术中具有重要应用潜力。

文章参考：Direct-Ink-Writing Printed Aerogels with Dynamically Reversible Thermal Management and Tunable Electromagnetic Interference Shielding

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