Южнокорейские исследователи создали плёнку толщиной всего 17,5 микрометра, которая сочетает мощное электромагнитное экранирование, низкую заметность в инфракрасном диапазоне и высокую механическую прочность. Разработка команд Korea Institute of Materials Science и Korea Institute of Science and Technology может пригодиться в авиации, беспилотниках, космической технике и компактной электронике, где обычные металлические экраны слишком тяжёлые и жёсткие.
В исследовании, опубликованном в Advanced Composites and Hybrid Materials, материал показал среднюю эффективность электромагнитного экранирования 92,8 дБ в X-диапазоне и 97,4 дБ в Ka-диапазоне. В пересчёте на мощность прошедшего сигнала такие значения соответствуют ослаблению более чем на 99,9999999%. При этом плёнка примерно в пять раз тоньше человеческого волоса.
Однако результат не означает, что материал «поглощает 99,9999999% радарных волн» или автоматически превращает самолёт в невидимку для радара. Эффективность экранирования учитывает суммарное ослабление электромагнитного поля за счёт нескольких механизмов, включая отражение и поглощение. Авторы отдельно анализировали компоненты экранирования и обнаружили сильный вклад отражения. Поэтому корректнее говорить о почти полном подавлении проходящего через плёнку сигнала, а не о почти стопроцентном поглощении радиоволн.
Материал собрали из углеродных нанотрубок и двумерного соединения Ti3C2Tx из семейства MXene. Исследователи сравнивают внутреннее устройство плёнки с кирпичной кладкой. Выровненные волокна из углеродных нанотрубок играют роль «кирпичей», а тонкие листы MXene заполняют промежутки между волокнами и работают как проводящий «раствор».
Перед сборкой поверхность нанотрубок обработали аминогруппами, чтобы усилить связь с MXene. Затем волокна непрерывно пропускали через раствор MXene и укладывали рядом друг с другом. Получившаяся структура мешает волокнам скользить относительно друг друга и одновременно создаёт непрерывные проводящие пути для электрического тока.
Электропроводность гибридной плёнки достигла 9236 См/см, а предел прочности при растяжении составил 1,02 ГПа. По этому показателю материал сопоставим с некоторыми высокопрочными сталями, хотя прямое сравнение разных классов материалов только по пределу прочности не отражает массу, пластичность и другие характеристики конструкции.
Вторая часть разработки связана уже не с радиосигналами, а с теплом. Слой MXene обладает низкой инфракрасной излучательной способностью, поэтому поверхность испускает меньше теплового излучения и хуже выделяется для тепловизоров. Авторы проверили инфракрасную маскировку при температурах от комнатной до 300 °C и сообщили о сохранении эффекта во всём диапазоне.
Углеродные нанотрубки и MXene по отдельности для такой задачи подходят хуже. Нанотрубки лёгкие, прочные и хорошо проводят электричество, но из волокон сложно получать большие однородные плёнки, а их инфракрасная излучательная способность остаётся сравнительно высокой. MXene хорошо проводит ток и позволяет снизить тепловую заметность, но самостоятельные плёнки из материала получаются более хрупкими и могут терять свойства под воздействием окружающей среды.
Испытания показали, что гибрид сохраняет электропроводность, прочность и экранирующие свойства при повышенной температуре и влажности, а также после механических деформаций. Разработчики рассчитывают, что сочетание характеристик позволит закрывать одной тонкой оболочкой сразу несколько задач вместо отдельных защитных слоёв.
Военное применение исследователи связывают прежде всего с защитой электроники и снижением инфракрасной заметности истребителей, разведывательных самолётов и беспилотников. Использовать плёнку как готовое радиопоглощающее покрытие для снижения эффективной площади рассеяния авторы пока не демонстрировали. Для настоящей радиолокационной малозаметности недостаточно просто не пропускать радиосигнал внутрь конструкции, поскольку сильное отражение обратно в сторону радара способно, наоборот, облегчить обнаружение цели.
Похожая задача уже заставляет материаловедов объединять несколько способов маскировки в одном покрытии. Ранее исследователи создавали метаповерхности, рассчитанные именно на поглощение радиоволн при высокой температуре. Южнокорейская разработка идёт другим путём и прежде всего объединяет электромагнитное экранирование с подавлением теплового излучения.
Гражданские применения выглядят не менее реалистично. Тонкая проводящая плёнка может защищать компоненты смартфонов, носимых устройств, складной электроники и оборудования для сетей 5G и 6G от взаимных электромагнитных помех без тяжёлого металлического корпуса. Такой подход становится особенно полезным по мере того, как внутри компактных устройств растёт число радиомодулей и высокочастотных компонентов.
Авторы уже адаптировали метод под непрерывное изготовление плёнки, что упрощает переход к большим площадям. KIMS сообщает о подготовке патентов и дальнейших испытаниях материала в реальных компонентах. Две технологии производства углеродных нанотрубочных волокон, лежащие в основе проекта, уже находятся в процессе передачи промышленным партнёрам.
