随着航空航天、国防军工等领域的电子设备和无线通讯技术迅猛发展，由于电磁辐射干扰所引发的信息安全问题以及红外目标暴露（如电子设备和飞行器发动机运行所产生的温度变化）愈发严重，迫切需要研发轻质高效的电磁屏蔽和红外隐身材料以保护目标并减弱电磁波的影响。
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）纳米线阵列以构建多级孔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纳米线阵列的多级孔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，多级孔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。多级孔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、军事和其他高科技领域具有巨大的应用潜力。
图1 MF@PPy泡沫的聚合机理和多种功能示意图。MF@PPy泡沫实现了多功能集成，包括疏水性、隔热性、动态红外热伪装性和电磁干扰屏蔽性。
图2 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。
图3 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。
图4 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泡沫下被火加热朵照片。
图5 MF@PPy泡沫的电热转换性能。a MF@PPy泡沫的电导率。b MF@PPy泡沫的电热转换机理示意图。c MF@PPy泡沫在3V电压下的红外热图像和 d 温度-时间曲线。e MF@PPy3在不同电压下的红外热图像和 f 温度-时间曲线。
图6 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。
图7 MF@PPy泡沫的电磁干扰屏蔽性能。MF和MF@PPy泡沫的aSEA、bSER 、cSET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。
本工作以“Hierarchically Porous Polypyrrole Foams Contained Ordered Polypyrrole Nanowire Arrays for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding and Dynamic Infrared Stealth”为题发表在材料科学领域TOP期刊《Nano-Micro Letters》（IF: 31.6，中科院工程技术大类1区）。论文的第一作者为西南交通大学化学学院2022级硕士生刘宇龙，通讯作者为西南交通大学化学学院祁晓东副教授和王勇教授。
