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

在现代国防与海洋工程的复杂世界中，材料面临着一个难以同时解决的双重威胁。一方面，先进的雷达系统可以从极远距离探测物体，这使得隐身成为舰船和飞行器的关键需求。为了实现隐藏，这些舰船需要能够“吞噬”雷达波而非将其反射回来的涂层。另一方面，海洋本身就是一个无情的敌人。盐水和湿度不断攻击金属表面，导致生锈和结构性衰退，最终可能摧毁舰船。几十年来，科学家们一直致力于创造一种能同时胜任这两项工作的单一材料：既能吸收电磁能量以保持隐形，又能形成坚固的屏障以阻止腐蚀。通常情况下，擅长其中一项任务的材料在另一项任务上表现不佳，或者在恶劣环境中迅速降解。

来自中航成飞（AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group）和西南交通大学的研究团队通过构建一种结合了两种不同类型结构的复合材料，开发出了一种解决这一问题的新方法。他们创建了一个混合系统，将微小的球形颗粒锚定在扁平的片状层上。这种设计使该材料能够成为抵御雷达波和海洋腐蚀元素的精密盾牌。通过仔细平衡这些颗粒的数量，团队实现了一种涂层，它不仅能高效吸收雷达信号，还能在盐水中保护钢材数周不生锈，为更耐用且更具隐身性的海洋装备提供了一条充满希望的路径。

研究人员首先使用了一种被称为 MBene 的材料，这是一种由铁、铝和硼组成的二维片材。这些片材天生具有磁性和导电性，这些特性对于与电磁波相互作用非常有用。为了使其更加有效，团队在 MBene 片材的表面附着了一层还原氧化石墨烯（一种导电碳材料）。这创造了一个导电且具有磁性的基础。下一步是在这个基础上直接生长第三种组分：由含有铕元素的金属有机框架构成的微小球体。这些球体是通过水热法在原位生长的，这意味着它们是在加热的水基溶液中形成的。其结果是一个结构，其中扁平的片材作为三维球体的支架，创造了一个多尺度界面，使两种材料在此交汇。

团队测试了不同数量的铕球如何影响材料的性能。他们发现，球体的数量至关重要。如果球体太少，材料对雷达波的吸收效果就达不到预期；如果球体太多，球体会发生团聚并阻断导电通路，导致材料产生反射而非吸收。在特定的样本中，他们找到了最佳平衡点，并将该样本命名为 MG@E3。该样本在 2.1 毫米的厚度下实现了 -54.02 分贝的最小反射损耗。从实际意义上讲，这意味着当雷达波击中这种涂层时，几乎所有的能量都会被吸收并转化为热量，而不是反射回雷达接收器。该材料还保持了较宽的有效频率范围，在仅 1.4 毫米的厚度下，其吸收波段达到了 4.5 吉赫兹。

这一成功的机制依赖于扁平片材与球体之间独特的相互作用。当雷达波进入材料时，片材的导电网络和 MBene 的磁性有助于减缓并捕捉这些波。扁平片材与球形颗粒之间的界面创造了一个电荷聚集并振荡的区域，这一过程被称为界面极化。这种振荡将雷达波的能量转化为热能。此外，球体内的有机分子充当了进一步扰乱电磁波的中心。研究人员通过计算机模拟证实，这种特定的排列方式允许电磁波平滑地进入材料，而不会在表面发生反射，然后在内部被捕获并消散。

除了隐身能力外，该材料还证明了其卓越的防腐性能。研究人员用这种复合材料涂覆钢板，并将其浸泡在盐水溶液中 21 天。他们通过测试材料的电阻来测量其防止钢材生锈的效果。在这一类别中表现最好的样本（MG@E2）在盐水中浸泡三周后，仍保持了 94.8% 的防护效率。这种高水平的保护源于涂层的物理结构。扁平的片材创造了一条漫长且蜿蜒的路径，腐蚀性的盐分和水必须经过这条路径才能到达下方的金属，这种现象通常被称为“迷宫效应”。球形颗粒填补了片材之间的微小缝隙和孔洞，使屏障更加紧密，更难被腐蚀介质渗透。

研究还通过模拟雷达散射截面（即衡量物体对雷达可见度的指标）来观察该材料在现实场景中的表现。模拟显示，该涂层可以将目标的雷达特征降低约 31.85 分贝。这种显著的降低意味着，涂有这种材料的舰船或飞行器在雷达系统中看起来会小得多，从而有效地增加了探测难度。研究人员指出，材料的性能高度依赖于其组分的精确平衡。过多的球形组分会破坏导电网络，而过少则无法提供足够的极化中心来吸收电磁波。

这项工作表明，通过工程化手段设计出一种能够解决海洋防御两大挑战（隐身与耐久性）的单一材料是完全可能的。通过在导电磁性片材上直接生长球形颗粒，研究人员创造了一个稳定的界面，增强了电磁吸收和物理屏障性能。研究结果表明，通过对材料成分的精确控制，可以制造出既能有效隐藏物体免受雷达探测，又足够强韧以承受长期恶劣海洋环境的涂层。该研究为设计未来能够在复杂环境中可靠运行、且无需在功能间做取舍的防护系统提供了明确的实验依据。