南京航天航空大学姬广斌教授AM:蒲公英状中空α‑二氧化锰结构缺陷协同设计实现雷达‑红外兼容隐身

背景介绍

随着多光谱探测技术的快速发展，单一波段的隐身材料已无法满足现代军事和民用领域的兼容隐身需求。雷达隐身要求材料高效吸收微波，而红外隐身则要求低红外辐射，传统方法采用双层涂层（上层低发射、下层吸波），但两者物理机制矛盾，兼容性极差。近年来发现，兼具优异微波吸收和低热导率的隔热材料有望破解这一难题。气凝胶虽表现出色，但力学性能差、工艺复杂，难以实用。金属氧化物如α‑MnO₂不仅本征热导率极低（0.07–0.5 W m⁻¹ K⁻¹），且可通过中空结构和缺陷工程大幅提升介电损耗，成为单层兼容隐身涂层的理想填料。然而，如何在保持低热导的同时获得宽带强吸收，仍是一项挑战。

本文亮点

- 首创蒲公英状中空多级结构：通过水热反应结合Kirkendall效应，自组装形成微米级中空蒲公英球（内部由空心纳米管交织而成），同时具备微球和纳米管两级空腔，大幅增加界面极化位点并降低热导率。

- 低价阳离子掺杂诱发缺陷与晶格畸变：引入Fe³⁺或Co²⁺取代Mn⁴⁺，产生氧空位和晶格膨胀，实验与DFT计算证实带隙从0.63 eV降至0.46 eV（Co²⁺），费米能级附近态密度增加，导电和极化损耗显著增强。

- 超宽带微波吸收：Co²⁺掺杂样品（CMO）在2.7 mm厚度下有效吸收带宽（RL< –10 dB）达8.9 GHz，覆盖大部分X和Ku波段，优于绝大多数已报道介电型吸波体。

- 优异红外隐身性能：中空结构和氧空位增强声子散射，热导率λ从0.59降至0.31 W m⁻¹ K⁻¹，涂层表面温度明显降低，红外热像下掌印被有效抑制。

- 综合性能优越：涂层同时具备良好热稳定性、阻燃性、力学稳定性及耐腐蚀性，单层涂敷工艺简单，实用性强。

图文解析

合成与形貌：如图1a所示，以KMnO₄为锰源，在HCl水溶液中于100 °C水热反应，通过调节酸浓度和温度控制形貌。Fe³⁺或Co²⁺的加入引起纳米管长度增加、直径减小，微球尺寸收缩。

SEM（图2a,e）显示均匀分散的蒲公英状微球，TEM（图2b,f）证实内部中空且由交织的纳米管构成。HRTEM（图2d1-d4，h1-h4）显示掺杂后晶格条纹模糊、衍射斑点弥散，IFFT和GPA应变图表明晶格畸变加剧。

XRD（图3a-c）显示掺杂后衍射峰强度下降，晶胞参数a/b轴膨胀，c轴收缩幅度减小。XPS（图3d-h）表明Mn³⁺比例上升，氧空位含量顺序为CMO > FMO > MO。TGA（图3i）显示样品在565和783 °C分别发生相变，热稳定性良好。

DFT计算与介电性能：图4a构建了理想α‑MnO₂、含氧空位、Fe/Co掺杂及掺杂+空位的模型。能带结构（图4b）显示掺杂后带隙显著缩窄，DOS（图4a及S12）表明费米能级附近态密度增加，缺陷能级主要由O 2s/2p、Mn 3d和Fe/Co 3d轨道贡献。实验测得介电常数（图4c,d）和损耗角正切随掺杂升高，导电损耗和极化损耗均增强（图4e,f）。电导率（图4g）顺序为CMO > FMO > MO。Cole‑Cole图（S14c）显示多个半圆，表明多重介电弛豫过程。E场模拟（图4i及S15）显示中空纳米管在高频下诱导强局域电场，促进极化损耗。磁损耗极弱（μ′≈1，μ″≈0），证实材料为介电损耗型。

微波吸收性能：图5a-c为反射损耗（RL）等高线图。MO在2.5 mm时EAB为7.94 GHz（10.06–18.00 GHz）。FMO和CMO进一步展宽，CMO在2.7 mm时EAB达8.9 GHz，覆盖大部分X/Ku波段，且填料仅15 wt%，优于多数已报道的MnO₂基吸波体（图5d）。图5e示意极化损耗机理：中空球壳界面、纳米管与树脂界面、缺陷偶极子共同贡献。

热导率与红外隐身：图6a显示CMO/树脂涂层的热导率λ=0.31 W m⁻¹ K⁻¹，远低于纯树脂（0.59）和MO/树脂。图6b-c显示CMO涂层表面温度明显低于加热台温度，侧面热成像显示热量被有效阻隔。图6d展示手掌按压3 min后，CMO涂层表面几乎无热印记，红外隐身效果显著。图6e示意隔热机制：中空空腔和氧空位增强声子散射。图6f-h展示涂层在酒精灯灼烧下保持完整，机械强度高，耐腐蚀性好。

总结与展望

本文首次将低离子掺杂（Fe³⁺/Co²⁺）诱导的晶格缺陷与蒲公英状中空多级结构协同应用于α‑MnO₂，成功解决了雷达-红外兼容隐身中“高吸收”与“低辐射”的矛盾。Co²⁺掺杂样品（CMO）在2.7 mm时有效吸收带宽高达8.9 GHz，同时热导率降至0.31 W m⁻¹ K⁻¹，实现了单层涂层下的高效多光谱隐身。该策略兼具结构设计与缺陷工程的优点，为开发轻质、宽频、兼容型隐身材料提供了新思路。未来可进一步探索其他过渡金属氧化物及多离子共掺杂体系，并将该设计拓展至电磁屏蔽、热管理及传感等领域。

文献信息

Synergistic Hollow Structure Design and Defect Engineering in Dandelion‑Like α‑MnO₂ for Superior Radar‑Infrared Compatible Camouflage  

Yilin Zhang, Yujing Zhang, Yuqing Bai, Liang Yan, Guizhou Xu, Chuyang Liu, Xiaolian Liu, Xiaopeng Li, Feng Xu, Guangbin Ji  

Adv. Mater.38, no. 5 (2026): e12477.

DOI：10.1002/adma.202512477

通讯作者介绍

姬广斌：南京航空航天大学材料学院教授、博导，长期从事电磁功能材料、多频谱兼容材料、磁性材料研究。博士毕业于南京大学，导师都有为院士。先后在南京大学固体微结构国家重点实验室、法国兰斯大学物理系从事博士后和高级访问学者研究。现担任Journal of Colloid and Interface Science、Nanomaterials、Current Nanoscience等期刊编委；中国颗粒学会青年理事、江苏省颗粒学会常务理事；入选江苏省333人才工程、江苏省青蓝工程、江苏省六大人才、江苏省双创科技副总；连续多年入选科睿唯安（Clarivate）“全球高被引科学家”；爱思唯尔（Elsevier）“中国高被引学者”。 共在Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano等发表论文200余篇，引用31000余次，59篇ESI高被引论文，8篇热点论文，H因子102；授权发明专利30件；培养江苏省优博、中国航空学会优博、优硕、校优博/优硕24人；培养国家级青年人才1名，省级人才3人。第一完成人先后获教育部自然科学奖二等奖、中国颗粒学会自然科学奖二等奖、江苏省高校自然科学奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖等6项奖项。