摘要
在现代军事领域，红外隐身技术占据着至关重要的地位，被视为当代尖端军事技术的重要组成部分。红外隐身旨在通过阻隔热量或降低红外发射率，降低目标与背景的辐射能量差，从而达到伪装的目的，属于一种综合性技术手段。高度多孔的纳米纤维素气凝胶材料具有柔韧性好、高孔隙率和低热导率特性，被认为是极具发展前景的隔热材料，是实现长效稳定红外隐身效果的首选材料。然而，纤维素气凝胶的骨架强度较弱，力学性能不足，造成隔热稳定性差；且纤维素气凝胶红外发射率高，对热辐射的调控不完全，实际应用的功能化和场景化单一。基于此，本研究以纤维素基气凝胶为主体，通过多元功能组分设计和多层级结构构筑，成功制备了单层、双层和三明治结构的纤维素基复合气凝胶，并围绕纤维素气凝胶的制备、性能优化和多场景红外隐身应用进行了探索。具体研究如下： 首先，采用简单的冷冻干燥技术制备了纯纤维素气凝胶CA和硅烷偶联剂改性交联的复合气凝胶CNF@Si，研究了冷冻温度和纤维素纳米纤维(CNF)浓度对CA气凝胶隔热性能的影响规律；探究了硅烷偶联剂1,2-二(三甲氧基硅基)乙烷(BTMSE)的引入对CNF@Si复合气凝胶的孔径分布、导热系数和力学性能的影响，并进一步探讨了力学性能与隔热稳定性的关系。结果表明：从CA气凝胶中可以看到，提高冷冻速率可以降低气凝胶平均孔径，而提高CNF浓度不仅会使平均孔径减小，还会使气凝胶密度增大，导热系数的大小是两者共同作用的结果，在-196℃冷冻、CNF浓度为1.0wt%时制备的CA气凝胶的综合性能最优，平均孔径为44.2μm，导热系数为34.8mW·m-1·K-1。对于CNF@Si复合气凝胶，随着BTMSE加入量的提高，气凝胶平均孔径减小，抗压缩强力增大，压缩回弹率先增大后减小，导热系数先降低后上升，其中CNF与BTMSE的质量比为2∶3时得到的CNF2@Si3复合气凝胶的综合性能最优，平均孔径为19.0μm，导热系数为31.9mW·m-1·K-1，在60%压缩应变下具有34.8kPa的压缩强力和97.6%的形变恢复率；在受到60%压缩应变后，CNF2@Si3气凝胶的导热系数从31.9mW·m-1·K-1增加到32.21mW·m-1·K-1，而CA气凝胶导热系数从34.8mW·m-1·K-1增加到41.9mW·m-1·K-1。 其次，选择不同形貌的Cu粉作为低红外发射率填料，研究了制备方法、铜粉填料的形貌及用量对红外发射率的影响。涂层法与逐步冷冻法制备的气凝胶相比，在8~14μm大气窗口内的红外发射率具有相当的优势；片状、球状和树枝状Cu粉作为涂层填料时，红外发射率均是随着填料用量的增加而降低并最终趋于稳定，其中以片状Cu粉填料降低红外发射率的能力最强，当Cu含量为40%时，通过涂层法制备的CSA40气凝胶红外发射率低至0.361。将气凝胶材料放置在100℃热台上600s后，CSA40气凝胶和CNF2@Si3气凝胶表面辐射温度分别为32.5和52.8℃，相差20.3℃；并且随着涂层中片状Cu粉含量增加，低红外发射率在红外隐身中的贡献率越来越大，在80℃热台上CSA40气凝胶低红外发射率和隔热的贡献率分别为51%和49%，红外发射率涂层对于纤维素复合气凝胶红外隐身起到关键性作用；将CSA40气凝胶用于高温坦克模型、手掌和手机表面，均能表现出良好红外隐身和热伪装效果。 最后，通过引入具有优异电、热性质的二维过渡金属碳/氮化物(MXene)，采用逐步组装和冷冻干燥技术，配合刮涂法制备了三明治结构纤维素气凝胶(SA)，此结构包含发射率调控上层(Cu粉涂层)、热阻隔中层(CNF2@Si3气凝胶)和电热转换下层(MCA气凝胶)。研究了电压对MCA层电热转换效果的影响，以及在施加电压下SA气凝胶的热伪装效果。结果表明：利用酸刻蚀法成功制备了MXene纳米片，并证明了CNF通过强氢键作用嵌入MXene纳米片中。增加MXene含量可以提高MCA气凝胶的电导率，当MXene含量为90%时，MCA90气凝胶的电导率高达179S/m；通过简单地调节电压就可实现精准调控气凝胶表面温度，MCA90气凝胶在4.5V的低驱动电压下饱和温度可达40.1℃，同时展现出快速响应性，具有多次循环的性能再现性和超1h的长期稳定性；三明治结构纤维素气凝胶在3.5~8.5V电压焦耳加热时，仍可以保持最外层涂层的低辐射温度，当电压为8.5V时，MCA90气凝胶表面温度94.7℃，SA气凝胶涂层表面辐射温度仅为28.5℃，并保持和环境近似的辐射颜色，在为目标提供热量的同时又能确保红外隐身安全。
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