可持续壳聚糖衍生3D多级多孔碳气凝胶具有先进的红外雷达兼容性

  本文，南京航空航天大学 姬广斌教授团队、安徽工业大学 顾未华等在《Carbon》期刊发表名为“Sustainable chitosan derived 3D hierarchically porous carbon aerogel toward advanced infrared-radar compatibility”的论文，研究受建筑物中地板-支柱概念的启发，我们灵巧地设计了一种由二维薄片和一维支柱相互连接的宏观三维壳聚糖基碳气凝胶。如图1所示，建筑结构主要由楼板和支柱组成，楼板和支柱能承受和传递荷载，保证建筑的稳定性和耐久性。如果将地板-支柱材料用作红外-雷达兼容隐身材料，则可具备以下三个特点：

  （2）开放的空间可确保空气流通和轻质特性，以此来降低整体导热系数，多孔结构缺陷可诱导不均匀的空间电荷，提高极化损耗能力；

  由此可见，三维分层多孔碳气凝胶因其独特的结构特性和高导电性成分而具备极其重大的红外雷达隐身性能。一方面，原始壳聚糖气凝胶中冰晶定向生长和水分升华留下的大量空隙会带来重量轻的特点，导致导热系数低，并产生偶极极化和多重散射。另一方面，出色的导电成分可带来出色的隔热能力、低红外发射率和高传导损耗能力。因此，获得的壳聚糖基碳气凝胶（密度为 0.005 g cm-3）的导热系数仅为 0.0933 W m-1 K-1，红外发射率在 3-5 μm 波段低至 0.563，在 8-14 μm 波段低至 0.432。同时，在厚度为 1.35 毫米时，RLmin 可达到 -75.90 dB，而在厚度仅为 1.25 毫米时，最佳有效带宽可达 3.93 GHz。此外，通过调节石蜡的填充量，还能控制适当的阻抗匹配性能。此外，当扫描θ 为 0° 时，完美导电层（PEC）与碳气凝胶/PEC 模型之间的最大 RCS 减小值为 27.66 dB m2。这项研究为今后开发具有多维结构的红外雷达兼容材料提供了更多创新设计思路。

  图3.（a-f）S800、CA和典型商用隔热材料分别在0、30、60、90、120、150 s拍摄的热红外图像;（g） S800、CA、PU、PS、PVC和PVA的方案放置在加热平台上;（h） 在加热平台固定设定温度下，样品表面温度随不同加热时间的变化;（i） 三维多孔碳化壳聚糖气凝胶传热机理示意图。

  图4、a和b分别显示了1至18 GHz频率范围内介电常数的实部（ε′）和介电常数的虚部（ε“），c） 全部的产品的平均介电损耗正切线-50 的频率相关介电损耗正切线和 （i–m） Cole-Cole 图。

  图 7.（a）PEC、（b）S800-10、（c）S800-20、（d）S800-30、（e）S800-40、（f）S800-50的三维雷达波散射信号;（g） PEC和碳化壳聚糖气凝胶的RCS模拟曲线°扫描角度下碳化壳聚糖气凝胶的RCS还原值。

  综上所述，通过简便的溶解、酯化、定向冷冻干燥和煅烧过程，制备出了低密度（0.005 g cm-3）的环保型壳聚糖衍生三维分层多孔碳气凝胶。由于制备方法的优点，成功地获得了粘性溶液前驱体，并实现了高多孔（孔隙率为 92.51 %）微尺度（平均孔径为 79.35 μm）结构。三维碳气凝胶有着非常丰富的低导热空气和相互连接的高导电骨架，因此具有非常出色的红外隐身性能。将样品置于 60 °C 的加热平台上，上表面温度在 0 s-150 s 内从 29.9 °C 微升至 33.1 °C，与市售隔热材料相当。结合其 0.0933 W m-1 K-1 的超低导热系数，样品显然拥有非常良好的隔热性能。

  事实证明，在 3-5 μm 波段和 8-14 μm 波段测量到的最小红外发射率分别为 0.563 和 0.432。同时，不同的样品填充率可有效调节复介电常数，从而经过控制传导损耗能力、偏振损耗行为和阻抗匹配特性来提高可调雷达隐身能力。此外，碳气凝胶的横向和纵向梯度连接通道扩展了波的吸收和折射路径，也有助于实现高性能的雷达隐身功能。因此，在仅 1.35 mm 的范围内，RLmin 可达到 -75.90 dB，Ku 波段的最大有效带宽可达 3.93 GHz。三维模拟雷达波散射信号和简化平板模型的 RCS 模拟进一步验证了 S800-X 样品的雷达伪装性能。有必要注意一下的是，S800-30/PEC 的最佳 RCS 降低值为 27.66 dB m2，证明了该材料在实际场景中的伪装适用性。令人满意的是，这项工作提供了壳聚糖基轻质碳气凝胶，显示了先进红外雷达兼容性的巨大潜力。