隨著紅外探測技術的飛速發展，熱偽裝與紅外隱身技術/材料引起了廣泛關注。紅外探測的工作原理是通過捕捉物體發射的中紅外波段(7~14 μm)紅外線，然后成像識別物體。通常來講，熱偽裝是通過減小物體與環境的紅外熱輻射差異來實現的。根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律：P=εσT4，其中，P為熱輻射能量，σ是玻爾茲曼常數，ε是物體表面紅外發射率，T是熱力學溫度。物體的熱輻射能量直接由其ε和T4決定。可見，實現高溫物體的熱偽裝具有更大的挑戰性。目前，已經有大量關于熱偽裝材料的報道，但其依然具有以下缺點：（1）相變材料的使用溫度相對較低；（2）氣凝膠或泡沫等隔熱材料厚度較大；（3）金屬薄膜或涂層雖然具有較低的紅外發射率，但易腐蝕、密度大且難加工；（4）光子晶體等超材料制備工藝復雜、成本高。目前，利用超薄薄膜或涂層實現高溫物體的熱偽裝仍然是一個巨大挑戰。
近日，鄭州大學材料學院王建峰副教授和王萬杰教授團隊率先報道了Ti3C2Tx MXene的紅外低發射特性（7~14 μm波段范圍內發射率為0.19），與不銹鋼薄膜相當，遠低于石墨烯、氧化石墨烯以及納米蒙脫土等二維材料。在較寬的溫度范圍內（-10 ℃到500 ℃），1 μm厚的超薄柔性MXene薄膜以及超薄MXene涂層展現出優異的、長時間穩定的室內/室外熱偽裝性能，能使500℃高溫物體的輻射溫度降低300℃以上，優于已報道的熱偽裝薄膜/涂層材料。同時，MXene薄膜/涂層具有優異的可熱偽裝的電加熱和高效的電磁波屏蔽性能。該論文為基于超薄薄膜/涂層材料實現高溫物體的熱偽裝提供了有效策略，展示了MXene材料在熱偽裝、紅外隱身、輻射加熱、紅外信號傳輸、安全防護等領域的巨大應用潛力。該研究以“Ultrathin Titanium Carbide (MXene) Films for High-Temperature Thermal Camouflage” 為題發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202101381）。
圖1. 圖文摘要
圖2.（a）熱偽裝原理示意圖；（b）MXene納米片的TEM圖；（c）MXene薄膜的電子照片；（d，e）MXene薄膜斷面的SEM圖；（f）MXene等不同材料的紅外發射率
圖3. 不同厚度MXene薄膜的室內/室外熱偽裝性能
將MXene薄膜放置在不同溫度的物體上，當目標物體輻射溫度為510.9 ℃時，29 μm厚MXene薄膜的表面輻射溫度為196.4 ℃，將目標物體的輻射溫度降低了314.5 ℃。此外，隨著MXene薄膜厚度的減小，放置在同一高溫目標物體上的MXene薄膜的輻射溫度逐漸升高。但即便厚度低至1 μm時，MXene薄膜依然表現出優異的熱偽裝性能，可以將高溫目標物體（510.9 ℃）的輻射溫度降低近300 ℃。同時，在室外環境（9 ℃）中，MXene薄膜的熱偽裝性能要優于其室內環境中的熱偽裝性能，當目標物體的輻射溫度分別為514 ℃，29 μm厚的MXene薄膜的輻射溫度為170.3 ℃。
圖4. MXene薄膜的高溫熱偽裝穩定性
MXene薄膜的高溫熱偽裝性能具有長時間高溫穩定性。將29 μm厚的MXene薄膜放置在510.9 ℃的目標物體上10 h，MXene薄膜的輻射溫度沒有發生較大變化，隨后將加熱10 h后的MXene薄膜放在酒精燈下燃燒180 s后再放置在高溫目標物體上，其仍具有良好的熱偽裝性能。MXene薄膜經過不同溫度的退火后，仍能保持相對較好的高溫熱偽裝性能。此外，在500 ℃下進行了5 天的老化實驗表明，隨著老化天數的增加，MXene薄膜的熱偽裝性能逐漸變差，但5 天后仍能保持相對較好的高溫熱偽裝性能。
圖5. MXene薄膜熱偽裝性能與其他材料對比
MXene薄膜的熱偽裝性能幾乎與不銹鋼薄膜媲美，并且優于包括石墨烯在內的其他的二維材料。同時，本文制備的超薄MXene薄膜的熱偽裝性能優于目前絕大多數已報道的熱偽裝材料或熱偽裝系統，特別是當厚度低于10 μm時。
圖6. MXene薄膜的熱偽裝應用
MXene薄膜在較寬溫度范圍內（-10 ℃到500 ℃）都具有很好的熱偽裝效果。此外，由于MXene薄膜具有良好的柔韌性，將其裁剪成字母狀的“MXene”并放在高溫物體上，“MXene”字母可以在紅外相機中清晰地顯示出來。同時，MXene分散液也可作為可印刷的熱偽裝墨水直接涂抹在聚合物、金屬、陶瓷板等基底上，并表現出優異的高溫熱偽裝性能。在陶瓷板書寫上字母“ZZU”，隨后將陶瓷片放在高溫目標上（508 ℃）時，“ZZU”同樣在紅外相機中清晰地顯示出來，展現了MXene在紅外信號傳遞方面的巨大應用潛力。此外， MXene薄膜的高導電性使其展現出優異的可熱偽裝的電加熱性能，在軍事領域具有極大的應用潛力。
該論文第一作者為鄭州大學材料學院碩士生李雷，通訊作者為鄭州大學材料學院王建峰副教授和王萬杰教授。研究得到國家自然科學基金、中國博士后特別資助/面上基金、河南省重點研發與推廣專項、高分子材料工程國家重點實驗室開放課題等項目支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101381。
