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

現代の防衛および海洋工学という複雑な世界において、材料は同時に解決することが困難な二重の脅威に直面しています。一方では、高度なレーダーシステムが膨大な距離から物体を検知できるため、艦船や航空機にとってステルス性が極めて重要な要件となっています。隠れるためには、レーダー波を跳ね返すのではなく、飲み込むことができるコーティングが必要です。もう一方では、海そのものが絶え間ない敵となります。塩水と湿度は常に金属表面を攻撃し、錆や構造的な劣化を引き起こし、最終的には船舶を破壊する可能性があります。数十年にわたり、科学者たちは、電磁エネルギーを吸収して不可視性を保つことと、腐食を防ぐ強固な障壁を形成するという、二つの役割を同時に果たす単一の材料を作り出すことに苦心してきました。通常、一方のタスクに優れた材料は、もう一方のタスクにおいて失敗するか、あるいは過酷な環境下で急速に劣化してしまいます。

AVIC成都航空工業集団と西南交通大学の研究チームは、二種類の異なる構造を組み合わせた複合材料を構築することにより、この問題への新しいアプローチを開発しました。彼らは、球状の微粒子を平らなシート状の層に固定したハイブリッドシステムを作り上げました。この設計により、材料はレーダー波と海洋の腐食性要素の両方に対する高度な盾として機能することができます。これらの粒子の量を慎重に調整することで、チームはレーダー信号を高効率で吸収するだけでなく、塩水中で数週間にわたって鋼鉄の錆を防ぐことができるコーティングを実現し、より耐久性が高くステルス性に優れた海洋機器への有望な道筋を提示しました。

研究者たちは、鉄、アルミニウム、ホウ素からなる二次元シートの一種であるMBeneとして知られる材料から着手しました。これらのシートは本質的に磁性と導電性を備えており、これらは電磁波と相互作用するのに有用な特性です。これらをさらに効果的にするために、チームはMBeneシートの表面に、導電性のある炭素材料である還元型酸化グラフェンを付着させました。これにより、導電性かつ磁性を持つ基盤が作成されました。次のステップは、この基盤上に第三の成分を直接成長させることでした。それは、ユウロピウムを含む金属有機構造体からなる小さな球体です。これらの球体は、熱水プロセス（つまり、加熱された水ベースの溶液中で形成される方法）を用いて、その場で成長させられました。その結果、平らなシートが三次元的な球体の足場として機能する構造ができあがり、二つの材料が出会うマルチスケールな界面が形成されました。

チームは、これらユウロピウム球の量が材料の性能にどのように影響するかをテストしました。彼らは、球体の量が極めて重要であることを発見しました。球体が少なすぎると、材料はレーダー波を十分に吸収できませんでした。逆に多すぎると、球体が凝集して導電経路を遮断してしまい、波を吸収する代わりに反射させてしまうのです。最適なバランスは、MG@E3と名付けられた特定のサンプルに見出されました。このサンプルは、厚さ2.1ミリメートルにおいて、最小反射損失-54.02デシベルを達成しました。実用的な観点から言えば、これはレーダー波がこのコーティングに当たったとき、ほとんどすべてのエネルギーがレーダー受信機に跳ね返ることなく、吸収されて熱として消散することを意味します。また、この材料は、わずか1.4ミリメートルの厚さで4.5ギガヘルツの帯域幅にわたって波を吸収できる、広い有効周波数範囲を維持しました。

この成功の背後にあるメカニズムは、平らなシートと球体の間のユニークな相互作用に基づいています。レーダー波が材料に入ると、シートの導電ネットワークとMBeneの磁気特性が、波を減速させ、閉じ込める助けとなります。平らなシートと球状粒子の間の界面では、「界面分極」として知られる、電気電荷が蓄積し振動する領域が形成されます。この振動が、レーダー波のエネルギーを熱へと変換します。さらに、球体内の有機分子が、波をさらに乱す中心として機能します。研究者たちはコンピュータ・シミュレーションを通じて、この特定の配置によって、波が表面で反射されることなく材料内にスムーズに入り込み、その後内部で捕捉され破壊されることが確認されました。

この材料は、レーダーからの隠蔽能力に加え、腐食に対する優れた保護能力も証明しました。研究者たちは鋼鉄板にこの複合材料をコーティングし、塩水溶液に21日間浸しました。彼らは、電気抵抗を測定することによって、コーティングが鋼鉄の錆をどの程度防いでいるかを測定しました。このカテゴリーにおける最高の性能を示したサンプルであるMG@E2は、塩水中で3週間経過した後も94.8パーセントの保護効率を維持しました。この高いレベルの保護は、コーティングの物理的構造によるものです。平らなシートは、腐食性の塩や水がその下の金属に到達するために進まなければならない、長く曲がりくねった経路（しばしば「迷路効果」と呼ばれる現象）を作り出します。球状粒子はシート間の微細な隙間や穴を埋め、障壁をさらに緻密にし、腐食性物質の浸透をより困難にします。

研究では、物体のレーダー視認性の尺度であるレーダー反射断面積（RCS）をシミュレートすることで、実世界のシナリオにおける材料の性能についても調査しました。シミュレーションによれば、このコーティングは標的のレーダー・シグネチャーを約31.85デシベル減少させることができます。この大幅な減少は、この材料でコーティングされた艦船や航空機が、レーダーシステムに対してはるかに小さく見えることを意味し、実質的に検知を困難にします。研究者たちは、材料の性能が構成要素の精密なバランスに強く依存していると指摘しました。球状成分が多すぎると導電ネットワークを乱し、少なすぎると波を吸収するための分極中心を提供できなくなります。

この研究は、単一の材料によって、海洋防衛における最も困難な二つの問題、すなわちステルス性と耐久性の両方に対処できることを示しています。球状粒子を導電性磁性シート上に直接成長させることで、研究者たちは電磁吸収と物理的障壁特性の両方を高める安定した界面を作り出しました。これらの知見は、材料の組成を慎効に制御することで、対象をレーダーから隠すのに効果的であるだけでなく、過酷な海洋条件においても長期間耐えうる堅牢なコーティングを作ることが可能であることを示唆しています。本研究は、一方の機能を犠牲にすることなく、複雑な環境下で確実に動作する将来の保護システムの設計に向けた、明確な実験的根拠を提供するものです。