Advanced Optical Materials: 高效大面积碳纳米管薄膜红外辐射调制器

主动红外辐射调制器件由于驱动灵活、辐射可调,在自适应红外隐身以及辐射控温等领域具有重要的研究意义。根据Stefan−Boltzmann定律,单位面积热表面的辐射能:P=εσT4,其中发射率ε是随波长和温度变化的唯一与材料相关的参数。通过控制发射率的动态变化有效控制目标表面热辐射,在热红外伪装及辐射温控领域展现出巨大的应用潜力。目前红外发射率的调控方式主要集中于热致相变、机械驱动、光驱动以及电致变色。电刺激的方式由于简单可控,响应速度快等优势一直是人们关注的焦点。但面向实际应用需求,需要考虑器件的发射率调制幅值、响应速率、循环使用次数、响应时间、大面积器件制备技术、耐候性等综合性能指标。

钱学森空间技术实验室通过设计碳纳米管/离子液-隔膜/碳纳米管三明治结构,利用roll-to-roll制备工艺,实现了大面积、高循环稳定性的碳纳米管薄膜红外辐射调制器件的制备。其中,碳纳米管薄膜既作为电极又作为电致变色活性层,简化了器件结构,易于大面积制备。这种机械化组装的大面积柔性红外辐射调制体系在实现智能化可穿戴领域展现出巨大应用潜力。碳管薄膜在±3 V之间,发射率能够实现0.7~0.15左右的调节幅值。循环稳定性是电致变色红外辐射调制器件面向实际应用的重要指标。通过施加2.5 V和-1.7 V的循环电压,器件展现出6500次循环稳定性。并且在经历3500次循环之后,器件的响应速率小于1 s。通过将隐身薄膜模块化设计为10×10矩阵,每个单元的发射率可以独立控制,实现了碳管薄膜与多个背景的自适应融合效能。

基于碳纳米管薄膜的红外辐射调制体系展现出柔性可弯曲、适于大规模生产、高调制幅值、高循环稳定性、快速响应等特点。模块化制备能够满足结构平移对称性、集成性要求,满足目标在复杂环境背景中的红外伪装与隐身需求。该研究工作为发射率调控材料的实际应用迈进了一步。

相关论文”Large-scale Multi-functional Carbon Nanotube Thin Film as Effective Mid-infrared Radiation Modulator with Long-term Stability”发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.202001216)。