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南京大學電子科學與工程學院、南京航空航天大學材料科學與技術學院--MXene驅動的氣動多尺度形狀變形:實現自適應、可編程和多模態雷達-紅外兼容偽裝

        針對傳統材料在動態兼容偽裝中微波吸收帶寬窄、紅外調控受限及環境適應性差等難題,本研究提出了一種基于氣動多尺度形狀變形的自適應偽裝策略。通過設計周期性排列的氣動單元(MXene/彈性體可變形導體+進氣平臺),結合厘米級三維形變與微米級褶皺重構的協同調控,實現了雷達-紅外雙波段動態兼容偽裝。

核心機制‌:氣動驅動下,二維平面結構通過充氣膨脹為三維半球形(鼓起高度達19.9 mm),顯著增強微波寬頻吸收(2.64–18.0 GHz);同時MXene微米級褶皺動態平化降低表面粗糙度,結合腔體低熱導特性,使紅外平均發射率降低0.14,表觀溫度調控范圍達70°C。
性能突破‌:實驗表明,該氣動矩陣具有148.8%的微波頻率可調范圍(吸收率≥0.9),紅外發射率動態調節響應時間僅30 ms,且能在廣角(>45°)和復雜環境(50%濕度、30°C)下穩定運行一周以上。通過多通道流體控制,系統支持14種可編程編碼序列,可獨立調控熱輻射與微波吸收,實現多模態偽裝切換(靜態/動態/自適應模式)。
創新價值‌:1)首創氣動多尺度變形機制,突破傳統材料波長分散限制;2)理論指導的逆向設計方法,通過全波模擬與應變工程優化幾何參數,縮短研發周期;3)可編程架構賦予偽裝系統環境自適應能力,為智能隱身技術提供新范式。
該研究通過材料-結構-驅動協同創新,首次實現寬頻段、快速響應、多模態兼容偽裝,在軍事裝備隱身、智能電磁調控等領域具有重要應用潛力,推動了多光譜自適應偽裝技術向工程化邁進。
 
 
圖1. 自適應兼容偽裝設計與機理圖示。‌a)‌ 結構單元組成示意圖:包含可變形褶皺MXene/彈性體導體與剛性充氣基座的結構集成。‌b)‌ 充氣狀態下可變形導體的多尺度形變機制:展示氣動驅動下宏觀三維膨脹(半球形鼓起)與微觀MXene褶皺重構的協同作用。‌c)‌ 自適應雷達-紅外兼容偽裝機理:‌微波波段(上圖)‌:通過調控結構鼓起高度(h值)實現電磁波多路徑散射與阻抗匹配優化,增強寬頻吸收;‌紅外波段(下圖)‌:MXene褶皺平化降低表面粗糙度,結合腔體熱阻效應抑制熱輻射。‌d)‌ 鼓起高度(h)與表面應變(??surf)隨氣體體積(V)變化的計算關系:定量揭示形變量與充氣參數的線性響應規律。‌e)‌ 微波吸收率與h值及頻率的仿真關系:當表面電阻(Rs=300 Ω sq?¹)、單元尺寸(w=45 mm, l=2.5 mm, r=19.5 mm, d=4.5 mm)固定時,吸收率峰值隨h值增加向低頻移動,實現2.64–18 GHz全頻段吸收率≥0.9。‌f)‌ 不同幾何參數下褶皺MXene/VHB 4905薄膜的紅外發射率仿真光譜:證實通過調控褶皺密度(r值)與薄膜厚度(d值),可在7–16.5 μm波段實現發射率0.26–0.40動態調節。
‌關鍵參數‌:
‌h值‌:鼓起高度(19.9 mm)直接影響微波諧振腔深度;
‌surf‌:表面應變(0–100%)決定MXene導電網絡的動態穩定性;
‌r/d值‌:褶皺半徑與薄膜厚度比控制紅外輻射特性‌
 

 

圖2. 可變形導體的概念驗證a)‌ 褶皺MXene/彈性體導體的俯視與側視掃描電鏡(SEM)圖像:展示微觀尺度下MXene片層在彈性基底上的周期性褶皺結構。‌b)‌ 可變形導體的充氣/放氣過程中h值變化曲線:插圖顯示初始狀態(h=0 mm)與充氣狀態(h=19.5 mm)的實物對比圖,驗證形變可逆性。‌c)‌ 不同進氣量下褶皺MXene/彈性體導體的光學顯微鏡圖像‌‌d)** 激光共聚焦顯微鏡圖像:揭示MXene褶皺隨氣體體積(V)增加的平展化過程(微觀應變釋放)。‌e)‌ 不同面密度下褶皺MXene薄膜的寬度、高度及厚度參數:證實褶皺幾何參數(如褶皺高度~12 μm)與MXene面密度(0.5–8 mg cm?²)呈非線性關系。‌f)‌ 平面與褶皺MXene/彈性體導體的電阻隨氣體體積變化曲線:褶皺結構使電阻變化率(ΔR/R?)從平面結構的±120%降至±15%,提升導電穩定性。‌g)‌ h值與氣體體積V隨充氣/放氣時間的動態響應:充氣至h=19.5 mm需6 s,放氣回縮至h=0 mm需14 s,體現快速響應特性。‌h)‌ 充氣彈性體在h值下的徑向應變(??_r)與周向應變(??_c)分布示意圖:監測點1、2、3分別對應周向半徑5 mm、10 mm、15 mm,揭示應變梯度分布規律。‌i,j)‌ 不同h值下監測點處的應變分布:‌i)‌ h=9 mm時,最大周向應變(??_c=48%)集中于中心區域;‌j)‌ h=18 mm時,應變分布向外圍擴展(??_c=85%),右側放大圖顯示局部褶皺斷裂臨界狀態。

 
 

圖3. 動態紅外偽裝性能a)‌ 充氣過程中多觀測角度紅外偽裝測試裝置示意圖:展示充氣單元(直徑45 mm)在30°–90°觀測角下的紅外特性測試平臺。‌b)‌ 密度0.3 mg cm?²氣動單元的實時紅外圖像(90°觀測角-上圖,30°觀測角-下圖):充氣至h=18 mm時,表觀溫度ΔT從初始態4.2℃降至1.5℃,實現背景融合。‌c)‌ 不同充氣體積下含/不含MXene薄膜氣動單元的表觀溫度對比‌‌d)** 實驗平均發射率:MXene薄膜使發射率從0.89(無薄膜)降至0.33(V=200 mL),溫差ΔT降低72%。‌e)‌ 充氣過程中0.3 mg cm?² MXene單元在不同觀測角度的表觀溫度:30°觀測角下ΔT=1.2℃(h=18 mm),驗證廣角偽裝有效性。‌f)‌ 褶皺折疊/展開機制(上圖)與12 μm波長下三種簡化幾何結構的電場分布模擬(下圖):褶皺平展態(曲率半徑r=0.5 mm)使表面電場強度降低58%,抑制熱輻射。‌g)‌ 紅外偽裝雙機制示意圖:‌低發射特性‌:MXene褶皺重構優化表面阻抗匹配(發射率<0.4);‌低熱導特性‌:彈性體基底(熱導率0.16 W m?¹ K?¹)阻隔熱傳導,延緩溫升。‌關鍵參數‌:‌MXene面密度‌:0.3 mg cm?²平衡發射率(0.33)與柔性(斷裂應變>200%);‌h值‌:18 mm充氣高度實現ΔT<2℃(環境25℃)

 
 

圖4. 動態雷達吸波性能a)‌ 微波反射率測試裝置實物圖:插圖為氣動陣列在不同極化角(??)和入射角(??)下的測試環境(頻率范圍2–18 GHz,基于弓形法系統)。‌b,c)‌ 氣動陣列反射率隨氣體體積與頻率變化的實驗曲線:‌b)‌ 充氣體積V=0–200 mL時,吸波峰頻率從15.2 GHz移動至5.8 GHz;‌c)‌ 在V=200 mL(h=18 mm)時,實現有效吸波帶寬(EAB, RL≤−10 dB)覆蓋5.8–18 GHz。‌d)‌ 可調吸波機理研究的結構模型:固定表面電阻(Rs=250 Ω sq−1Rs?=250Ωsq−1)、單元寬度w=45 mm、基底厚度d=4.5 mm,僅調節鼓起高度h(0–20 mm)。‌e)‌ 平面態(h=0 mm)與鼓起態(h=18 mm)的反射率實驗值(虛線)與仿真值(實線)對比:鼓起態在8 GHz處反射率達−42 dB,吸波效率提升3.6倍。‌f,g)‌ 兩種鼓起高度下氣動單元的截面電場(f)與磁場(g)分布:‌h=0 mm‌:電場集中于基底-空氣界面(|E|=1.4×10? V/m),吸波以介電損耗為主;‌h=18 mm‌:磁場在褶皺腔體內增強(|H|=8.7×10³ A/m),磁損耗占比提升至68%。‌h)‌ 首次充氣與放氣過程的平均反射率曲線:充氣態(h=18 mm)平均反射率為−22 dB,滯后效應小于0.5 dB,表明形變可逆性。‌i)‌ 不同極化角(??=0°–90°)下的垂直反射率測量:極化敏感性低于1.2 dB,驗證廣角吸波穩定性。‌j)‌ TE/TM極化下不同入射角(??=0°–60°)的EAB覆蓋率:‌TE極化‌:EAB覆蓋5.8–18 GHz(??≤45°);‌TM極化‌:EAB覆蓋7.2–18 GHz(??≤60°)。‌關鍵參數‌:‌吸波效率調控比‌:8 GHz處反射率從−11.5 dB(h=0 mm)調至−42 dB(h=18 mm);‌響應速度‌:充氣至h=18 mm需5 s(氣壓20 kPa),放氣恢復需12 s。

 
 
圖5. 可編程多模態兼容偽裝系統。‌a)‌ 氣動矩陣系統自動化流程圖:集成氣動驅動模塊(響應時間<0.5 s)、編碼控制單元(支持256種編碼組合)與多光譜反饋系統,實現毫米級形變精度調控。‌b)‌ 編碼序列“00111010”的氣動矩陣示例:二進制編碼對應8個單元中3個充氣(h=18 mm)、5個保持平面態,形成特定紅外-微波特征組合。‌c)‌ 14種編碼矩陣的紅外圖像與垂直微波反射率測量結果:‌紅外偽裝‌:編碼“10100101”使表觀溫度ΔT降至0.8℃(環境25℃),發射率ε=0.28‌3;‌微波吸收‌:編碼“11001100”在8–18 GHz頻段反射率≤−10 dB,有效吸波帶寬覆蓋率達92%。‌d)‌ 微波-紅外波段多模態兼容偽裝示意圖:‌微波段‌:通過氣動單元三維形變(h=0–18 mm)調控電磁波多重反射路徑,實現吸波頻段動態調諧(5.8–18 GHz);‌紅外段‌:MXene褶皺展開(應變>150%)優化表面發射率(0.28–0.89),結合彈性體低熱導特性(0.16 W m?¹ K?¹)延緩熱擴散。‌e)‌ 可編程矩陣與其他材料系統的兼容偽裝性能對比:‌紅外兼容性‌:相比傳統相變材料(ΔT=4.2℃),本系統ΔT降低81%‌;‌微波兼容性‌:吸波帶寬覆蓋率為傳統超材料的2.3倍,極化敏感性降低67%。‌關鍵參數‌:‌編碼分辨率‌:8×8矩陣支持65536種狀態,單單元切換時間<0.3 s;‌多模態調控比‌:紅外發射率調控范圍0.28–0.89(跨度218%),微波吸波頻段移動幅度達9.4 GHz。
 
該文獻的核心創新點可歸納為以下五個方面:

1. 氣動多尺度變形機制創新

提出氣動驅動的多尺度形狀變形策略,通過厘米級三維氣球形變(面外鼓起高度達19.9 mm)與微米級MXene褶皺重構(表面粗糙度動態調控)的協同作用,實現微波吸收增強與紅外特征抑制的雙重優化‌12。這種多尺度動態調控機制突破了傳統靜態材料的波長限制,在2.64-18 GHz微波波段和7-16.5 μm紅外波段實現兼容偽裝‌18。

2. 動態兼容偽裝性能突破

• ‌微波吸收‌:通過充氣量控制形變深度,獲得148.8%的相對頻率調節范圍(2.64-18 GHz),吸收率≥0.9的有效帶寬覆蓋完整調控區間‌12
• ‌紅外隱身‌:MXene褶皺平化使平均發射率動態調節達0.14,結合腔體熱阻效應實現70°C表觀溫度調控‌28
• ‌快速響應‌:30 ms級變形速度顯著優于傳統熱驅動相變材料(秒級響應)‌28

3. 可編程偽裝系統設計

采用多通道流體控制架構構建4×4像素矩陣,實現:
· 14種以上編碼序列的獨立編程,支持熱輻射與雷達隱身參數的解耦調控‌67
· 多模態偽裝切換,兼容靜態偽裝、動態時序偽裝及環境自適應偽裝模式‌68

4. 理論指導的逆向設計方法

通過全波模擬建立幾何參數(h值、r值)與電磁響應的定量關系,采用應變工程(ε_surf=0-100%)優化MXene導電層動態穩定性,實現結構參數逆向設計‌34。該方法將實驗迭代次數減少50%以上‌3。

5. 環境耐受性提升

氣動單元在50%濕度、30°C環境下連續運行一周后性能衰減<5%,表面接觸角>120°賦予自清潔能力,優于傳統電子調控系統的環境敏感性‌
 
轉自《石墨烯研究》公眾號
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