Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

Dans le monde complexe de la défense moderne et du génie maritime, les matériaux sont confrontés à une double menace difficile à résoudre simultanément. D’un côté, les systèmes radar avancés peuvent détecter des objets depuis de très grandes distances, faisant de la furtivité une exigence critique pour les navires et les aéronefs. Pour se cacher, ces vaisseaux nécessitent des revêtements capables d'absorber les ondes radar plutôt que de les renvoyer. De l'autre côté, l'océan lui-même est un ennemi implacable. L'eau salée et l'humidité attaquent constamment les surfaces métalliques, provoquant la rouille et la décomposition structurelle qui peuvent finir par détruire un vaisseau. Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour créer un matériau capable de remplir ces deux fonctions : absorber l'énergie électromagnétique pour rester invisible et former une barrière robuste pour stopper la corrosion. Généralement, les matériaux bons dans une tâche échouent dans l'autre, ou se dégradent rapidement dans des environnements hostiles.

Une équipe de chercheurs issus de l'AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group et de l'Université de technologie de l'ouest de la Chine (Southwest Jiaotong University) a développé une nouvelle approche à ce problème en construisant un matériau composite combinant deux types distincts de structures. Ils ont créé un système hybride où de minuscules particules sphériques sont ancrées sur des couches planes semblables à des feuilles. Cette conception permet au matériau d'agir comme un bouclier sophistiqué contre les ondes radar et les éléments corrosifs de la mer. En équilibrant soigneusement la quantité de ces particules, l'équipe a obtenu un revêtement qui non seulement absorbe les signaux radar avec une grande efficacité, mais protège également l'acier de la rouille pendant plusieurs semaines dans l'eau salée, offrant ainsi une voie prometteuse vers des équipements marins plus durables et plus discrets.

Les chercheurs ont commencé avec un matériau connu sous le nom de MBène, qui est un type de feuille bidimensionnelle composée de fer, d'aluminium et de bore. Ces feuilles sont naturellement magnétiques et conductrices, propriétés utiles pour interagir avec les ondes électromagnétiques. Pour les rendre encore plus efficaces, l'équipe a attaché une couche d'oxyde de graphène réduit, un matériau de carbone conducteur, à la surface des feuilles de MBène. Cela a créé une base magnétique et conductrice. L'étape suivante consistait à faire croître un troisième composant directement sur cette fondation : de petites sphères faites d'un réseau organométallique contenant l'élément europium. Ces sphères ont été cultivées sur place grâce à un processus hydrothermal, ce qui signifie qu'elles ont été formées dans une solution aqueuse chauffée. Le résultat fut une structure où les feuilles plates servent d'échafaudage aux sphères tridimensionnelles, créant une interface multi-échelle là où les deux matériaux se rencontrent.

L'équipe a testé comment différentes quantités de sphères d'europium affectaient la performance du matériau. Elle a constaté que la quantité de sphères était cruciale. S'il y en avait trop peu, le matériau n'absorbait pas aussi bien les ondes radar qu'il le pouvait. S'il y en avait trop, les sphères s'aggloméraient et bloquaient les voies conductrices, provoquant la réflexion des ondes au lieu de leur absorption. Le meilleur équilibre a été trouvé dans un échantillon spécifique, qu'ils ont nommé MG@E3. Cet échantillon a atteint une perte de réflexion minimale de -54,02 décibels pour une épaisseur de 2,1 millimètres. En termes pratiques, cela signifie que lorsque les ondes radar frappent ce revêtement, presque toute l'énergie est absorbée et dissipée sous forme de chaleur plutôt que d'être renvoyée vers le récepteur radar. Le matériau maintenait également une large gamme de fréquences où il était efficace, absorbant les ondes sur une bande passante de 4,5 gigahertz avec une épaisseur de seulement 1,4 millimètre.

Le mécanisme derrière ce succès repose sur l'interaction unique entre les feuilles plates et les sphères. Lorsque les ondes radar pénètrent dans le matériau, le réseau conducteur des feuilles et les propriétés magnétiques du MBène aident à ralentir et à piéger les ondes. L'interface entre les feuilles plates et les particules sphériques crée une zone où les charges électriques s'accumulent et oscillent, un processus appelé polarisation interfaciale. Cette oscillation convertit l'énergie de l'onde radar en chaleur. De plus, les molécules organiques présentes dans les sphères agissent comme des centres qui perturbent davantage les ondes. Les chercheurs ont confirmé, via des simulations informatiques, que cet arrangement spécifique permet aux ondes de pénétrer fluidement dans le matériau sans être réfléchies par la surface, puis d'être piégées et détruites à l'intérieur.

Au-delà de sa capacité à se cacher du radar, le matériau s'est également révélé être un excellent protecteur contre la corrosion. Les chercheurs ont revêtu des plaques d'acier avec leur matériau composite et les ont immergées dans une solution d'eau salée pendant 21 jours. Ils ont mesuré l'efficacité du revêtement pour empêcher l'acier de rouiller en testant sa résistance électrique. Le meilleur échantillon dans cette catégorie, le MG@E2, a maintenu une efficacité de protection de 94,8 % après trois semaines dans l'eau salée. Ce haut niveau de protection provient de la structure physique du revêtement. Les feuilles plates créent un chemin sinueux et allongé que le sel corrosif et l'eau doivent parcourir pour atteindre le métal situé en dessous, un phénomène souvent appelé effet de labyrinthe. Les particules sphériques comblent les minuscules interstices et trous entre les feuilles, rendant la barrière encore plus étanche et plus difficile à pénétrer pour les agents corrosifs.

L'étude a également examiné la façon dont le matériau se comporterait dans un scénario réel en simulant la section efficace radar, qui est une mesure de la visibilité d'un objet au radar. Les simulations ont montré que le revêtement pouvait réduire la signature radar d'une cible d'environ 31,85 décibels. Cette réduction significative signifie qu'un navire ou un aéronef revêtu de ce matériau paraîtrait beaucoup plus petit pour un système radar, ceant effectivement le rendant plus difficile à détecter. Les chercheurs ont noté que la performance du matériau dépend fortement de l'équilibre précis de ses composants. Un excès de composant sphérique perturbe le réseau conducteur, tandis qu'un manque entraîne l'absence de suffisamment de centres de polarisation pour absorber les ondes.

Ce travail démontre qu'il est possible de concevoir un seul matériau répondant à deux des problèmes les plus difficiles de la défense maritime : la furtivité et la durabilité. En développant des particules sphériques directement sur des feuilles magnétiques conductrices, les chercheurs ont créé une interface stable qui améliore à la fois l'absorption électromagnétique et les propriétés de barrière physique. Les conclusions suggèrent qu'avec un contrôle rigoureux de la composition du matériau, il est possible de créer des revêtements qui soient non seulement efficaces pour masquer des objets au radar, mais aussi assez robustes pour résister aux conditions océaniques difficiles pendant de longues périodes. L'étude fournit une base expérimentale claire pour la conception de futurs systèmes de protection pouvant fonctionner de manière fiable dans des environnements complexes sans sacrifier une fonction au profit de l'autre.