吸波材料可通過吸收輻射到材料表面的電磁波,降低目標(biāo)的電磁特征信號,從而提升武器裝備的戰(zhàn)場生存能力,是目前軍事裝備技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。然而,現(xiàn)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(shù)均隨之固定。而戰(zhàn)場環(huán)境和武器裝備的使用場景是復(fù)雜多變的,僅僅依靠一成不變的“被動式”吸波材料難以實(shí)現(xiàn)重要的戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。相比之下,具有隱身性能動態(tài)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(yīng)用價(jià)值,也是未來隱身材料領(lǐng)域的發(fā)展前沿。
南開大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)長期致力于新型電磁功能材料的研究,于2015年率先發(fā)展了基于三維石墨烯的寬頻雷達(dá)隱身材料,實(shí)現(xiàn)了吸波強(qiáng)度和有效吸波頻段智能可調(diào)(Adv. Mater., 2015, 27, 2049);2018年首次報(bào)導(dǎo)了石墨烯復(fù)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(shí)現(xiàn)了寬帶雷達(dá)散射截面的有效縮減(ACS Nano,2022,16, 7861)。
日前,南開大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于石墨烯/二氧化釩復(fù)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(xiàn)出獨(dú)特的相變行為(單斜相到金紅石相),同時(shí)也為復(fù)合氣凝膠帶來導(dǎo)電率/電磁參數(shù)的巨大變化,最終賦予了其吸波性能隨溫度變化的“開啟/關(guān)閉”智能切換效果。值得注意的是,在“開啟/關(guān)閉”過程中,復(fù)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(dá)7.27GHz和49dB,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)吸波材料。相關(guān)研究以題為“Intelligent Off/On Switchable Microwave Absorption Performance of Reduced Graphene Oxide/VO 2 Composite Aerogel”的論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
研究者首先將VO 2進(jìn)行氨基化修飾,然后與GO溶液混合,通過溶劑熱反應(yīng)制備了復(fù)合氣凝膠,其中VO 2 納米顆粒以共價(jià)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(shù),證實(shí)了VO 2在氣凝膠內(nèi)部仍然可以發(fā)生單斜相到金紅石相的相變行為,相變溫度為67.8℃。
這種變化的電磁參數(shù)也帶來了吸波性能的變化。其中,當(dāng)氣凝膠厚度在4.3mm和5mm時(shí),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(shí)現(xiàn)了吸波性能的“開啟”(30℃)到“關(guān)閉”(120℃)狀態(tài)變化。另外,當(dāng)材料厚度為2.82mm時(shí),其最低RL值也由-61.9dB(30℃)提升到-12.9dB(120℃),兩者相差高達(dá)49dB。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),這種“開啟”到“關(guān)閉”的狀態(tài)變化來源于升溫過程中材料阻抗匹配性質(zhì)的弱化。
除了升溫過程中“開啟”到“關(guān)閉”的狀態(tài)變化,研究者還發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行退火處理的復(fù)合氣凝膠在升溫過程中可發(fā)生“關(guān)閉”到“開啟”的吸波性能變化。由于其在室溫環(huán)境中(30℃)導(dǎo)電性較弱,電磁參數(shù)較低,因此其對電磁波的損耗性質(zhì)不足,在3mm和4mm時(shí)的EAB為0GHz。而得益于升溫過程中VO2的相變行為,電磁參數(shù)逐漸提高,對電磁波的損耗性質(zhì)也逐漸增加,在120℃時(shí)的EAB分別達(dá)到4.52GHz和7.27GHz,最終實(shí)現(xiàn)了升溫過程中“關(guān)閉”到“開啟”的吸波狀態(tài)變化。當(dāng)厚度為5.8mm時(shí),其在30℃/120℃時(shí)的RL變化高達(dá)37dB。
此外,研究者還基于F16戰(zhàn)斗機(jī)的模型進(jìn)行了RCS模擬,進(jìn)一步證實(shí)了該氣凝膠在不同溫度環(huán)境下的智能隱身特性。
小結(jié):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(guān)可切換吸波材料的制備方法。相關(guān)研究可為智能電磁器件、下一代吸波/屏蔽材料的發(fā)展提供新的思路。
作者簡介:
黃毅,南開大學(xué)材料學(xué)院教授,副院長。先后承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973、863、國際合作、和國防重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)課題。在新型低維納米材料的合成、電磁性質(zhì)調(diào)控、高性能吸波/屏蔽材料等方面取得了系列創(chuàng)新成果,并拓展了其在電子信息、航空航天及國防等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來,在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等刊物發(fā)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(xué)家”及愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”。2018年獲國家自然科學(xué)二等獎(R3),獲得天津市自然科學(xué)一等獎兩項(xiàng)(2015,2010)和二等獎一項(xiàng)(2021)。