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石墨烯与离子液体:红外检测仪也难发现,这才算是真正的“隐身术“
石墨烯与离子液体:红外检测仪也难发现,这才算是真正的“隐身术“
作者:朱秋红 | 5/9/2019 7:52:08 AM | 浏览:203 | 评论:0

石墨烯与离子液体:红外检测仪也难发现,这才算是真正的“隐身术“

热伪装示意图

热红外伪装,亦称“防中远红外侦察伪装”或“热伪装”。是使工作波段在3~5微米和8~14微米的侦察和制导设备难于进行侦察、制导或造成错觉的伪装。在现代军事科技当中,热伪装是一项非常重要的军事技术,它能干扰敌方制导打击、红外侦测。因此,研究热伪装材料,也具有非常重大的战略意义与战略价值。

石墨烯作为近年来研究火热的材料,在中红外(mid-infrared)乃至太赫兹(THz)波段都具有良好的等离子共振效应,因而在光探测、光谱、变换光学等领域有着非常广泛的应用。在太赫兹波段(0.1-2.5 THz),通过离子掺杂可使单分子层石墨烯透过率达到83%。然而在中红外波段,由于静电场的屏蔽效应限制了内层石墨烯的光学可调谐性,石墨烯透过静电栅后的吸收率不足2%。

基于此,近日,来自中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室的肖林研究员等人开发和制备了基于在刚性和柔性衬底上的柔性多层石墨烯(MLG)薄膜的中红外辐射调制器。通过离子液体栅(ionic liquid gating),在双(三氟甲磺酰)亚胺(NTf2)阴离子嵌入MLG之后,器件的热发射率在2s内降低近80%。研究表明,通过电气控制,薄膜的中红外辐射能够适应不同背景用于热伪装应用。

石墨烯与离子液体:红外检测仪也难发现,这才算是真正的“隐身术“

图1. 薄膜石墨烯材料结构示意图及其不同电压下的红外温度变化

(图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces)

首先,研究人员通过化学气相沉积法在镍箔上制备了MLG薄膜。通过刻蚀镍箔,得到独立的MLG。随后转移到注满1-甲基-3-己基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺(HMIm[NTf2])离子液体的电极隔膜上,得到在中红外具有很高透明度的薄膜石墨烯材料,其结构如图1a所示。通过热感照相机拍摄,研究人员得到了在0 V与3 V电压下该材料的红外温度变化。如图1b所示,当门极电压从0到3 V时,薄膜的红外温度由50 ℃左右明显下降到32 °C左右。

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图2. 基于双MLG有源电致变色层的柔性夹层结构、不同电压下器件的热成像及各MLG膜的发射率随外加电压的变化

(图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces)

由于石墨烯良好的可塑性,以及对称电致变色器件结构使其能够随着电压的变化来调节两侧的发射率,研究人员将MLG薄膜材料制备成柔性夹层结构的电致变色功能薄膜,并对其中红外热伪装性能进行了测试,图2a和b为所制备的柔性功能薄膜及其夹层结构示意图。如图2c至f中的热图像所示,两个MLG薄膜(如白点线所示)都可以调制到低发射率状态。图2g显示,柔性器件的每一侧都拥有70%左右的发射率调制能力。

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图3. 自适应热伪装演示

(图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces)

此外,研究人员用三片分离功能的MLG薄膜作为车顶,在MLG膜下设置一个加热板(∼65 °C)来模拟汽车的热机,使用热摄像机记录自适应伪装过程,模型车经过三个背景,发射率分别为0.9、0.55和0.25。结果如图3所示,可以看出在不同的发射率下,该薄膜材料都有着非常良好的热伪装特性。

综上所述,肖林研究员等人利用离子液体栅和多层石墨烯材料,制备了一种性能优异的红外热伪装薄膜。该薄膜材料采用不同的对极作为刚性和柔性基板,可使热发射率降低80%,响应时间在2s内快速运行。此外,研究人员还采用叠层石墨烯薄膜的夹芯结构实现了结构的柔性和双面辐射控制,其热辐射可以通过电调制来匹配不同的发射背景。这种基于离子液体栅制备的基于柔性多层石墨烯薄膜的中红外辐射调制器的研发,为石墨烯、离子液体在热伪装、红外源、能量效应等方面的应用提供了新的方向。


原文链接:

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b21900

原文作者:

Yue Sun, Yangyang Wang, Ce Zhang, Sai Chen, Huicong Chang, Nan Guo, Junku Liu, Yi Jia, Lei Wang, Yudong Weng, Wei Zhao, Kaili Jiang and Lin Xiao

DOI:10.1021/acsami.8b21900

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