电磁吸波 | Composites Part A. | 一体化阻抗渐变吸波结构的设计

研究速览

■ 近日，系统工程研究院军需工程技术研究所肖红课题组，在国际知名期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上发表题为“Nanoarchitectonics of integrated impedance gradient MXene/PPy/polyester composite fabric for enhanced microwave absorption performances”的研究论文。该论文创新提出一体化阻抗渐变吸波结构的设计。通过PET间隔织物为基体，MXene做导电填料，PPy做阻抗调节剂，在织物厚度方向上一次性形成有利于电磁波逐级吸收的阻抗渐变结构，并通过EDS,电磁参数的测试得以证实。

▉  研究摘要  ▉

■ MXene因其独特的层状结构，高电导率被认为是一种具有良好的电磁屏蔽及吸波应用前景的二维材料。但是对于MXene的高导电性易引起材料表面与自由空间的阻抗失配，引起电磁波的反射，造成二次电磁污染。常需要多重吸波剂的调控或多层结构来调节阻抗使电磁波吸收最大化。与传统的多层阻抗渐变材料不同，该工作以PET间隔织物为基体，MXene为导电填料，聚吡咯为阻抗调节剂，构建了一体化阻抗渐变复合织物(MP-IIGF)。阻抗渐变结构与复合材料吸收体的协同设计不仅使材料能够吸波，而且使复合材料具有隔热带来的红外隐身潜力。MP-IIGF-2在8.04 GHz处的反射损耗为-27.96 dB，有效吸收带宽覆盖整个X波段。该工作实现了在织物厚度方向上的连续阻抗梯度分布，解决了传统多层微波吸收材料层间存在空气介质、易分离、阻抗阶跃等问题。

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▉  研究要点1  ▉

■ 在氧化剂作用下，吡咯单体首先在织物的底层聚合，随着单体的向上挥发，吡咯从织物的底层逐渐聚合到织物的顶部，导致PPy的浓度梯度分布。通过对间隔丝纵向上形貌观察和能谱分析，可以看到PPy的含量从织物底部到顶部浓度递减分布。并通过将织物不同面朝向电磁波入射端进行测试，以及将织物从厚度方向上切片分层测试结果可以看到，MP-IIGF表现出明显的各项异性。且靠近吡咯的底端的输入阻抗更接近于空气，阻抗匹配较好。

图1. MP-IIGF厚度方向的不同放大倍率(a, b) SEM和EDS (c)

图2. MP-IIGF的各向异性及阻抗渐变测试. MP-IIGF厚度方向的不同放大倍率(a, b) SEM和EDS (c)

▉  研究要点2  ▉

■ 作者通过对比实验证明了相较于单一的MXene织物和PPy织物，MP-IIGF的吸波性能得到明显的改善。克服了单一吸波剂损耗机制单一的限制。与传统吸波材料相比，MP-IIGF不仅表现出优异的电磁波吸收特性，还保持了织物原有的透气、柔韧性，轻质特性。

图3. MP-IIGF实物图及吸波性能对比

▉  研究要点3  ▉

■ 良好的隔热性能是隐身材料的另一个重要特性，它可以消除红外探测，减少目标暴露。将MP-IIGF与PU海绵、棉絮片和涤纶间隔织物等商用隔热材料进行了比较。随着温度50 ℃,75 ℃,100 ℃的升高，MP-IIGF的温度从35.2 ℃、40.3 ℃提高到55.7 ℃，大大低于热台温度。另外，将MP-IIGF置于手掌和手指，MP-IIGF位置为紫色，与周围环境颜色一致，由此可见，MP-IIGF具有优良的隔热性能不仅可以保护目标免受高温损伤，而且赋予材料红外隐身功能。

图 4. MP-IIGF在加热台及手部的热红外图像分析

▉  研究总结  ▉

■ 作者创新性地提出并成功制备了一种一体化阻抗渐变吸波织物。吡咯单体在织物厚度方向进行浓度梯度聚合，使聚吡咯浓度自下而上降低，实现了阻抗连续渐变。一体化阻抗渐变的结构设计不仅改善了多层复合材料层间结合牢度差的问题，而且消除了空气介质的影响，减小了阻抗阶跃过大的问题。MP-IIGF-2在8.04 GHz时的最小RL值为-27.96 dB，EAB覆盖整个X波段。因此，一体化阻抗渐变制备技术可以为轻质、柔性、吸收强、吸波频带宽的吸波材料的提供设计思路。具有增强微波吸收特性的MP-IIGF不仅在武器装备、电磁防护服等方面有很大的应用价值，而且良好的隔热性能使其同时实现红外隐身成为可能。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107163