钛 应用（钛基MXene材料的红外隐身）

钛 应用（钛基MXene材料的红外隐身）图1 MXene薄膜的合成和表征该工作首次报道了MXenes材料在2.5-25 µm波段范围内的发射率。研究人员采用直接黑体辐射源和间接傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术共同揭示了Ti3C2Tx薄膜在300 nm厚度下的平均红外发射率低至0.057。Ti2CTx MXene和固溶体TiVCTx MXene材料同样表现出类似的低发射率特性。由Stefan-Boltzmann 定理（E=εσΤ4）可知，IR发射率（ε）是热源的 IR 辐射强度的线性函数。因此，在给定的温度（T）下，降低受保护目标的IR发射率是逃避红外探测器感知的最有效方法。由于 IR 辐射主要由目标浅表面激发，引入伪装涂层是最便捷手段之一。金属材料是典型低IR发射率材料，但其表面发生轻微氧化或粗糙度的提升会导致发射率数倍的变化。此外，在可穿戴智能纺织品和柔性储能设备的应用场景中，涂层材料必须兼具良好的柔韧性和可加工性来适应目标

来源：微信公众号“Research科学研究”

香港城市大学支春义教授联合西北工业大学范晓孟副教授报道了钛基MXene材料的红外发射率特性。在2.5-25 µm的波长范围内，Ti3C2Tx薄膜的红外发射率低至0.042，兼具良好的柔韧性和可加工性，有望引领新一代红外隐身材料的发展。相关成果以题为“Low Infrared Emissivity and Strong Stealth of Ti-Based MXenes”发表在Research上。

01 研究背景

任何高于绝对零度的物体都会持续不断的向外辐射电磁波，其能量主要分布在红外（IR）波段。因此，实现定制化的热环境对于科学研究、工业应用等都具有极其重要的意义。

由Stefan-Boltzmann 定理（E=εσΤ4）可知，IR发射率（ε）是热源的 IR 辐射强度的线性函数。因此，在给定的温度（T）下，降低受保护目标的IR发射率是逃避红外探测器感知的最有效方法。由于 IR 辐射主要由目标浅表面激发，引入伪装涂层是最便捷手段之一。

金属材料是典型低IR发射率材料，但其表面发生轻微氧化或粗糙度的提升会导致发射率数倍的变化。此外，在可穿戴智能纺织品和柔性储能设备的应用场景中，涂层材料必须兼具良好的柔韧性和可加工性来适应目标的不规则结构。因此，亟需新材料的开发来满足红外隐身涂料日益增长的结构和性能需求。

02 研究进展

该工作首次报道了MXenes材料在2.5-25 µm波段范围内的发射率。研究人员采用直接黑体辐射源和间接傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术共同揭示了Ti3C2Tx薄膜在300 nm厚度下的平均红外发射率低至0.057。Ti2CTx MXene和固溶体TiVCTx MXene材料同样表现出类似的低发射率特性。

图1 MXene薄膜的合成和表征

少层Ti3C2Tx MXene是通过湿化学蚀刻法制备的，具有微米级的横向尺寸和纳米级的厚度（图1）。MXene片层通过Wan der Waals力和氢键紧密结合，形成具有良好柔韧性的宏观薄膜。

图2 MXene薄膜的 IR 发射率及防护作用

研究表明厚度为5 µm的Ti3C2Tx MXene薄膜的IR发射率为0.18±0.01。这一数值明显低于当前报道的非金属样品，与金属相当（图2a）。将MXene薄膜置于高红外IR发射率材料表面后，所有材料均表现出接近纯MXene薄膜的IR发射率，表明MXene薄膜可以作为防护涂层有效地屏蔽目标基底的红外辐射（图2b）。

图3 室温下MXene薄膜红外发射率与波长的关系

此外，研究人员借助衰减全反射（FTIR-ATR）模式的FTIR光谱技术揭示了Ti3C2Tx MXene薄膜在2.5 µm至25 µm范围内波长和IR发射率的关系。在整个IR波段，300 nm的Ti3C2Tx MXene薄膜的平均红外发射率为0.057，如此低的值极为罕见。

图4 可穿戴储能器件红外隐身和皮肤热调节的演示

研究人员进一步展示了MXene在可穿戴储能设备和皮肤温度调节场景下的应用。通过红外热成像监视器将IR辐射防护性能可视化，结果表明MXene可以有效降低目标物体（柔性电极、可穿戴纺织品和皮肤）的红外热辐射，实现器件的红外隐身以及对皮肤温度的调节。

图5 钛基MXene材料的低红外发射率、优越性和机理分析

通过与文献中已报道的材料的对比，包括超材料、金属、碳、氧化物、聚合物、光子晶体和复合材料，MXenes的低发射率优于大多数报道的材料。考虑到其丰富种类、优异可加工性和易于复合的特性，MXenes表现出极大的工业化应用潜力，有望引领新一代红外隐身产品的研发。

03 未来展望

本工作开创性地探究了MXenes的低红外发射率和出色的红外隐身功能，并对其红外隐身机理进行了剖析。低至0.042的发射率加上出色的可加工性使MXenes有望引领新一代红外隐身材料的开发。

同时，在可穿戴电子设备热防护和皮肤热调节场景下的广阔应用前景有望激发起通信、光学等跨学科领域研究人员的兴趣。

04 作者简介

支春义，香港城市大学材料科学与工程系任教授。研究方向为可穿戴柔性电存储器件，包括多水系电解质，高安全电池和金属空气电池等。到目前为止，已发表有关SCI论文超过350篇，他引超过25000次(ISI)，H因子为90，专利授权80项。编辑著作两本。Clarivate Analytics全球高被引科学家（2019，2020，材料科学），香港青年科学院Member International Academy of Electrochemical Energy Science理事，获得城大校长奖，青年杰出研究奖，NML研究者奖，北京市自然科学一等奖等。

范晓孟，西北工业大学材料学院副教授、博士生导师。2015年获博士学位，而后赴德国埃尔朗根-纽伦堡大学进行博士后研究，2017年入职西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室。主要从事高温承载吸波一体化、高热/力稳定性陶瓷基复合材料的研究，先后承担国家自然科学基金面上项目、装备预研基金等项目，累计发表学术论文50余篇。