Специалисты из Южной Кореи разработали гибкую композитную плёнку, имеющую толщину всего 17,5 микрометра. Данный материал способен блокировать более 99,9999999% электромагнитного излучения в протестированных частотных диапазонах и одновременно уменьшает инфракрасное тепловое излучение с поверхности объекта. В составе материала присутствуют углеродные нанотрубки и двумерный материал MXene, что делает его перспективным для защиты электронных устройств, аэрокосмической техники и систем, требующих снижения тепловой заметности.

Разработка была осуществлена сотрудниками Корейского института материаловедения KIMS и Корейского института науки и технологий KIST. В качестве основы использованы волокна из углеродных нанотрубок и нанолисты карбида титана Ti₃C₂Tₓ, принадлежащие к классу материалов MXene.

Каждый из компонентов по отдельности обладает существенными недостатками. Волокна из углеродных нанотрубок характеризуются высокой прочностью, небольшим весом и хорошей электропроводностью, однако их сложно объединить в однородную плёнку значительного размера. Кроме того, они демонстрируют относительно высокую интенсивность излучения в инфракрасном спектре. Материалы MXene отличаются низкой способностью к инфракрасному излучению, но плёнки на их основе склонны к хрупкости и ухудшению свойств под воздействием окружающей среды.

Для создания материала исследователи использовали подход, имитирующий кирпичную кладку. Параллельно расположенные волокна из углеродных нанотрубок выступают в роли «кирпичей», а нанолисты MXene заполняют пространство между ними, обеспечивая электропроводность и действуя как «раствор». Для улучшения адгезии между компонентами поверхность нанотрубок была подвергнута химической модификации с использованием аминогрупп.

Описанная конструкция позволяет минимизировать смещение волокон при нагрузке и обеспечивает создание непрерывных проводящих каналов по всей площади материала. Электропроводность достигла значения в 9236 сименсов на сантиметр, а предел прочности при растяжении составил 1,02 гигапаскаля, что является показателем, сопоставимым с характеристиками некоторых марок высокопрочной стали.

При минимальной толщине в 17,5 микрометра средняя эффективность экранирования составила 92,8 децибел в X-диапазоне и 97,4 децибела в Ka-диапазоне. Указанные частотные диапазоны используются, среди прочего, в радиолокационных системах, спутниковой связи и других радиоэлектронных устройствах. Данные показатели соответствуют подавлению более чем 99,9999999% падающего электромагнитного излучения.

Материал преимущественно отражает основную часть излучения, при этом некоторая доля поглощается. Таким образом, полученный результат в первую очередь относится к защите электронной техники и оборудования от электромагнитных помех. В ходе исследования не проводилось испытаний полноразмерного покрытия летательного аппарата с целью оценки снижения радиолокационной заметности.

Второй характерной чертой плёнки является её взаимодействие с инфракрасным излучением. Нанесённый на поверхность слой MXene демонстрирует низкую излучательную способность, что приводит к снижению теплового излучения объекта. В ходе проведённых экспериментов было установлено, что материал сохраняет свою способность уменьшать инфракрасную заметность в температурном диапазоне от комнатной температуры до приблизительно 300 °C. При стандартных условиях измеренная температура излучения поверхности оставалась на уровне около 4 °C ниже температуры окружающей среды.

Кроме того, плёнка не утратила свои механические свойства, электропроводность и способность к экранированию после воздействия высоких температур, повышенной влажности и многократных деформаций. Данный факт отличает её от стандартных MXene-плёнок, параметры которых могут снижаться при продолжительной эксплуатации.

Сочетание малой толщины, высокой прочности, способности к электромагнитным экранированием и низким значениям инфракрасного излучения может представлять интерес для применения в аэрокосмической и оборонной электронике, где требуется одновременно снижать вес оборудования и обеспечивать его защиту от электромагнитных помех. В качестве потенциальных областей применения авторы также называют оборудование сетей 5G и 6G, носимые электронные устройства и компактные приборы, в которых проблема возникновения электромагнитных помех между расположенными рядом компонентами становится всё более актуальной.

В настоящее время материал находится на стадии лабораторных исследований. Его внедрение в реальные авиационные аппараты, беспилотные летательные комплексы или другие крупные системы потребует разработки технологий для создания покрытий большой площади, их надёжного крепления и оценки рабочих характеристик в условиях настоящей эксплуатации.

Исследование опубликованоИнформация об этом была опубликована в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials.