清華大學方菲Compos. Sci. Technol.：具有熱適應性和機械柔性的紅外隱身納米纖維復合材料

DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108483

熱適應性是影響紅外隱身材料在紅外偽裝和節能飛機以及建筑中應用的關鍵參數之一。以聚丙烯腈（PAN）為聚合物基質，銻摻雜氧化錫（ATO）和二氧化釩（VO2）為填料，通過靜電紡絲和燒結制備了ATO/PAN-xVO2（x=20、40和60mol％）纖維膜復合材料。表征了包括發射率和紅外圖像在內的紅外隱身性能，以及纖維膜的單軸應力-應變關系。在25-90℃的溫度范圍內，ATO/PAN（ATO/PAN-0VO2）膜的紅外發射率（ε）持續降低，而ATO/PAN-xVO2（x=20、40和60mol％）膜的紅外發射率在68℃左右出現了急劇下降。在不同溫度下拍攝的紅外圖像進一步驗證了四種纖維復合材料的紅外隱身性能。由于ATO的熱敏電阻行為，隨著溫度的升高，電子電導率的增加使復合材料的紅外隱身性能增強。含VO2的復合材料在68℃附近突然下降，這與VO2從單斜晶（半導體）到金紅石結構（金屬）的相變有關。單軸張力下的應力應變行為表明，隨著VO2含量的增加，斷裂強度和應變單調降低。該研究結果提供了一種兼具紅外隱身和機械性能的熱適應材料。

圖1.ATO/PAN、ATO/PAN-20VO2、ATO/PAN-40VO2和ATO/PAN-60VO2纖維膜的紅外發射率ε隨溫度的變化。

圖2.（a）ATO/PAN，（b）ATO/PAN-20VO2，（c）ATO/PAN-40VO2和（d）ATO/PAN-60VO2纖維膜的熱紅外圖像。為了比較，還顯示了PAN-50Al纖維膜（室溫紅外發射率為0.74）（e）和鋁箔（f）的熱紅外圖像。

圖3.（a）SnCl4·5H2O/SbCl3/PAN-xVO2和（b）ATO/PAN-xVO2纖維膜的XRD圖。編號為1-4和5-8的曲線代表SnCl4·5H2O/SbCl3/PAN，SnCl4·5H2O/SbCl3/PAN-20VO2，SnCl4·5H2O/SbCl3/PAN-40VO2，SnCl4·5H2O/SbCl3/PAN-60VO2和ATO/PAN，ATO/PAN-20VO2，ATO/PAN-40VO2，ATO/PAN-60VO2。

圖4.（a）ATO/PAN，（b）ATO/PAN-20VO2，（c）ATO/PAN-40VO2和（d）ATO/PAN-60VO2纖維膜的SEM形態。

圖5.ATO中Sb摻雜效應的示意圖。（a）SnO2的晶體結構。（b）Sb5+離子充當施主，留下一個價電子。（c）Sb3+離子充當受主，產生一個空穴。

圖6.ATO的能帶模型。

圖7.（a）ATO/PAN，（b）ATO/PAN-20VO2，（c）ATO/PAN-40VO2和（d）ATO/PAN-60VO2纖維膜的應力-應變曲線。