研究背景

采用伪装技术以降低敌方侦测能力已成为维护军队作战能力的关键措施。在实际战争中，军事装备常因电磁干扰而出现故障，同时设备运行时产生的热量也容易被红外探测器捕捉，导致目标暴露。因此，电磁屏蔽材料还需具备红外隐身的特性，以增强被保护目标的安全性和伪装效果。鉴于复杂多变的战场环境，研发具备电磁屏蔽、红外隐身、疏水阻燃以及在复杂环境中稳定使用的多功能泡沫，对提升我国军事装备的整体水平具有重要意义。

Hierarchically Porous Polypyrrole Foams Contained Ordered Polypyrrole Nanowire Arrays for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding and Dynamic Infrared Stealth

Yu-long Liu, Ting-yu Zhu, Qin Wang, Zi-jie Huang, De-xiang Sun, Jing-hui Yang, Xiao-dong Qi*, Yong Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 97

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01588-x

本文亮点

1. 通过电化学聚合在三聚氰胺泡沫(MF)上生长聚吡咯(PPy)纳米线阵列，制备了多级孔MF@PPy泡沫。

2. 三维多孔PPy微骨架和一维PPy纳米线阵列通过多重衰减效应，使MF@PPy泡沫具有19928.57 dB cm² g⁻¹的电磁干扰屏蔽性能。

3. 聚吡咯纳米线阵列实现了多功能集成，包括疏水性、隔热性和动态红外热伪装性能。

内容简介

随着现代通信和检测技术的飞速发展，具有主/被动红外隐身性、疏水性和电热转换能力的多功能电磁干扰(EMI)屏蔽材料受到了广泛关注。但同时满足上述要求仍然是一个巨大的挑战。在本项工作中，西南交通大学王勇、祁晓东等人通过电化学聚合在三聚氰胺泡沫(MF)骨架上生长了有序聚吡咯(PPy)纳米线阵列。多级孔MF@PPy泡沫由三维PPy微米骨架和一维PPy纳米线阵列组成，实现了多功能集成：(1)疏水性：PPy纳米线阵列增加了MF@PPy泡沫表面的粗糙度，增强了Cassie-Baxter状态，使其具有高疏水性，在各种恶劣环境条件下具有显著的稳定性。(2)隔热性：PPy纳米线阵列的低导热性和细长韧带特性赋予了MF@PPy泡沫优异的隔热能力。(3)主/被动红外隐身：MF@PPy泡沫具有高导电率(128.2 S/m)，在3 V的低电压下，其焦耳热反应迅速，表面温度可达80 ℃，从而实现了动态红外隐身和热伪装效果。(4)电磁干扰屏蔽性能：分级多孔PPy结构通过多重衰减赋予泡沫55.7 dB和19928.57 dB cm² g⁻¹的高电磁屏蔽效能值。本工作提供了一种通过构建PPy纳米线阵列来制备多功能电磁屏蔽泡沫的新策略，在军事和民用领域都有广阔的应用前景。

图文导读

I MF@PPy泡沫的形态和结构表征

AFM图像显示MF骨架上生长PPy纳米线阵列后表面粗糙度增加，同时光学显微镜显示电化学聚合后MF@PPy保持完整且连续的多孔结构，表明泡沫的基本结构框架基本未受干扰(图1a和b)。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱，以及X射线光电子能谱(XPS)分析了纯MF和MF@PPy泡沫的化学结构，确定了PPy纳米线阵列的成功生长(图1c-g)。图1h和i分别为纯MF和MF@PPy泡沫的热重分析(TGA)和导数热重分析(DTG)，发现随着PPy聚合时间的增加，MF@PPy泡沫的残余质量增加，这是由于PPy纳米线阵列在热分解后留下更多的残余碳。DTG曲线显示重量损失速率峰向更高温度移动，表明PPy的引入提高了热稳定性，这可能归因于PPy的高热稳定性和其杂环结构。

图1. MF@PPy泡沫的结构表征。(a)MF@PPy泡沫的AFM图像。(b)MF@PPy泡沫的光学显微镜图像。(c)MF和MF@PPy泡沫的FTIR光谱。(d)MF和MF@PPy泡沫的拉曼光谱。(e)MF和MF@PPy泡沫的XPS光谱。MF和MF@PPy泡沫的(f)N 1s和(g)C 1s XPS光谱。MF和MF@PPy泡沫的(h)TGA和(i)DTG曲线。

II MF@PPy泡沫的疏水性

MF@PPy泡沫的微纳米粗糙表面增强了Cassie-Baxter状态，即水滴下的空气空穴，显著减少了与泡沫的接触面积，实现了自清洁效果。此外，不同聚合时间的MF@PPy泡沫的水接触角(WCA)分别为135.78°、139.67°和142.00°，表明随着PPy纳米线阵列的生长，疏水性能增强(图2b)。在图2c-g中，MF@PPy泡沫展现出优异的自清洁效果和对水、酸、碱的强抵抗力，其疏水性能在紫外线照射、化学腐蚀和机械变形后仍保持稳定，证明了材料在复杂和苛刻工作环境中的耐用性和稳定性。

图2. MF@PPy泡沫的疏水性能评估。(a)MF@PPy的疏水机理示意图；(b)MF@PPy1、MF@PPy2和MF@PPy3的水接触角。(c)各种液滴在MF@PPy表面的照片。(d)各种液滴在MF@PPy表面的水接触角。(e1, e2)水滴在MF@PPy表面接触和滚动示意图。(f-h)MF@PPy经过紫外线照射、化学腐蚀和多次弯曲后的水接触角。

III MF@PPy泡沫的隔热性能

MF@PPy泡沫因其多孔和分级结构而具有非凡的轻质特性和高效的隔热性能。MF@PPy泡沫的热导率保持在低值范围内，即使聚合时间延长导致热传递率略有增加，其值仍然很低，证实了其作为隔热材料的潜力(图3b)。通过红外热像测试，MF@PPy泡沫展现出优异的隔热性能，即使在加热平台上放置6分钟后，表面温度仍然较低，且温度上升缓慢(图3d-f)。此外，MF@PPy泡沫的低红外辐射率减少了从物体表面发射的热辐射强度，降低了热成像相机记录的辐射温度，使物体在红外探测系统中更不易被探测到。在高温应用中，MF@PPy泡沫不仅作为热盾有效减少热量传递，还表现出良好的阻燃性能，即使在火焰的强烈热量下也能保持花朵的结构完整(图3h)。

图3. MF@PPy泡沫的隔热性能。(a)MF@PPy泡沫的隔热机理示意图。(b)MF@PPy1、MF@PPy2和MF@PPy3的导热系数。(c)红外隐身性能测试示意图。(d, e)MF@PPy泡沫平行放置和(f, g)MF@PPy泡沫直立在热台上的红外热图像和温度曲线。(h)花朵在石棉网和MF@PPy泡沫下被火加热花朵照片。

IV MF@PPy泡沫的动态红外隐身性能

图4a显示了MF@PPy泡沫的卓越的隔热性能和电热转换能力，在红外隐身和热伪装领域展现出显著的应用潜力。在低温环境中，该泡沫作为绝热层覆盖高温目标，利用其被动隔热特性使目标与周围环境融为一体，有效隐藏热物体。相反，在高温环境中，MF@PPy泡沫被应用于低温物体，通过电热转换技术主动加热以匹配环境温度，实现热伪装。这种泡沫的柔性使其能够被塑形以适应特定物体，并通过电热转换产生虚假热目标，用于欺骗红外探测系统。实际应用中，MF@PPy泡沫覆盖的手指和手机部分在红外热像图中与环境温度相匹配，显示出成功的热伪装效果(图4b和c)。此外，该泡沫还能在高温条件下通过电热转换技术加热，以隐藏低温物体，或被裁剪成特定形状模拟电子设备运行时的中高温特性(图4d和e)。

图4. MF@PPy泡沫的红外热伪装应用。(a)MF@PPy泡沫在不同环境条件下的主动和被动热伪装示意图。MF@PPy泡沫在(b)人体、(c)电子设备、(d)低温物体和(e)虚假目标的红外热伪装应用。

V MF@PPy泡沫的电磁屏蔽性能

图5a-f展示了MF@PPy泡沫卓越的电磁屏蔽效率，其屏蔽效能随着PPy纳米线阵列的聚合时间增加而提高。其中MF@PPy3的屏蔽效能达到了55.77 dB，相当于超过99.997%的屏蔽效率，远超商业标准。MF@PPy泡沫的EMI屏蔽机制主要依赖于反射，得益于其表面特性和内部微纳米多孔结构，在遭遇电磁波时，由于空气-材料界面的阻抗不匹配导致大量电磁波被反射，而穿透泡沫的电磁波则通过导电框架的欧姆损耗和极化损耗进一步衰减。MF@PPy泡沫的微纳米多孔结构延长了电磁波的传输路径，增加了多次反射和散射的机会，从而进一步衰减电磁波。MF@PPy3泡沫的SSE/t值高达19928.57 dB cm² g⁻¹，远超其他多孔材料，证明了其在为现代电子设备提供强大电磁屏蔽方面的效果，使其成为紧凑型和轻量级设计中的理想选择(图5h)。

图5. MF@PPy泡沫的电磁干扰屏蔽性能。MF和MF@PPy泡沫的(a)SEA、(b)SER、(c)SET和(d)平均SE值。(e)MF@PPy泡沫的SER/SET和SEA/SET值。(f)MF@PPy泡沫的功率系数。(g)MF@PPy泡沫的电磁干扰屏蔽机理示意图。(h)MF@PPy泡沫的SSE/t和SET与相关研究的比较。

VI 总结

本工作报道了在三聚氰胺泡沫(MF)骨架上电化学聚合有序的聚吡咯(PPy)纳米线阵列以构建分层MF@PPy泡沫的方法。沿着MF骨架的连续PPy网络和向上生长的PPy纳米线阵列的分层结构实现了强大的多功能集成：PPy纳米线阵列增强了MF的表面粗糙度，赋予其水接触角为142.00°的高疏水性和在复杂环境下的优异稳定性。PPy泡沫的细长韧带特性和低导热性对隔热性能产生了协同效应。此外，MF@PPy泡沫还具有良好的焦耳加热性能和红外隐身能力。MF@PPy泡沫表现出快速的加热/冷却响应，在3 V低外加电压下表面温度可达80 ℃，从而实现了动态红外伪装能力。更重要的是，得益于有序的电活性PPy纳米线阵列，分层MF@PPy泡沫的电磁干扰屏蔽效果分别达到55.77 dB和19928.57 dB cm² g⁻¹。分层MF@PPy泡沫具有优异的疏水性、隔热性、高效焦耳热、红外隐身和电磁屏蔽等优点，在可穿戴电子设备、军事等领域具有巨大的应用潜力。

作者简介

祁晓东

本文通讯作者

西南交通大学副教授

▍主要研究领域

主要从事聚合物基相变储能材料的研究。

▍个人简介

西南交通大学化学学院副教授，硕士生导师。主持国家自然科学基金青年基金、四川省自然科学基金面上项目、四川省科技厅重点研发项目等10余项；以第一或通讯作者发表30余篇SCI论文，相关成果发表在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett.等，ESI高被引论文3篇；授权国家发明专利5项，撰写英文专著章节1章，获2021年度四川省技术发明奖二等奖，入选2022-2024年度斯坦福全球前2%科学家榜单。

▍Email：xiaodongqi@home.swjtu.edu.cn

王勇

本文通讯作者

西南交通大学教授

▍主要研究领域

主要从事结构/功能一体化先进高分子复合材料的研究。

▍个人简介

西南交通大学化学学院教授，博士生导师，德国洪堡学者。主持国家自然科学基金(6项)、教育部新世纪优秀人才基金、四川省青年科技创新团队、四川省科技厅重大成果转化项目、四川省杰出青年基金、四川省自然科学基金重点项目等项目30余项；在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett.、Macromolecules等期刊发表论文300余篇，他引10000余次；以副主编身份出版教指委规划教材1本，参编英文专著1部；授权发明专利24件。研究成果获得2021年度四川省技术发明二等奖、2018年度四川省自然科学二等奖、2006年度全国百篇优秀博士论文提名论文等。

▍Email：yongwang1976@home.swjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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