《Progress in Organic Coatings》：Multifunctional superhydrophobic SnO
2/CNTs composite coatings via spray deposition for simultaneous high thermal conductivity and infrared stealth for aerospace avionics
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采用喷涂法在铝基材表面制备SnO?/CNTs复合涂层，通过微纳米结构调控实现超疏水（接触角159.4°）、高热导率及低红外发射率（降低40%），并验证其耐机械磨损、极端pH及高温（140℃）环境稳定性。该涂层兼具热管理、红外隐身及表面防护功能，为航空电子设备提供新型多功能材料解决方案。
张英康|尹卓珠|杨英平|马永存|洪振|谢晨|江志阳|薛明山
南昌航空大学材料科学与工程学院，中国南昌，330063
摘要
开发兼具高导热性和有效红外隐身特性的先进热管理材料仍是航空航天电子学领域面临的关键挑战。我们采用简便的喷涂方法在铝基板上制备了超疏水性的SnO?/碳纳米管（CNTs）复合涂层。优化后的复合材料表现出159.4°的接触角，这归因于SnO?颗粒和CNT网络形成的分层微纳结构。相互连接的CNT网络在涂层内部建立了高效的热传导路径。整体导热性的提升主要得益于碳纳米管渗透网络的改善以及界面热传递效率的提高。在8–14 μm大气窗口下的光谱发射率测量结果显示，该涂层将平均发射率从0.85降低到0.51，相应地使辐射信号减少了约40%，从而显著降低了红外特征。此外，该涂层还表现出优异的环境耐久性，在机械磨损、极端pH值以及高达140°C的温度下仍能保持疏水性。这种多功能涂层在恶劣工作环境中的热管理、红外隐身和表面保护方面展现出广阔的应用前景。
引言
随着更多电动/全电动飞机发动机的发展，对机载电子设备的性能和可靠性提出了前所未有的要求[1]、[2]、[3]。这些设备负责电源管理、控制和健康监测，需要在高温、剧烈振动和冷却能力有限的极端环境中运行。高效的热管理至关重要，因为过热会严重降低电子元件的性能和寿命，可能导致系统故障[4]、[5]、[6]。同时，发热的电子外壳和散热器发出的高红外特征对隐身能力构成重大威胁，使其容易被红外探测系统发现。传统的热管理材料（如铝合金）虽然具有优异的导热性，但红外发射率较高，这在散热和红外隐身之间形成了一个关键矛盾[7]、[8]、[9]。此外，许多现有的红外隐身解决方案主要集中在调节发射率上，往往以牺牲热性能、环境耐久性或实际可制造性为代价，限制了其在动态、恶劣环境中的应用[10]、[11]。因此，开发兼具高导热性、低红外发射率和优异环境耐久性的新型复合材料已成为推动下一代航空电子学发展的关键研究方向。
现有的电子封装材料中有很多导热性较差的材料。例如，常用的环氧树脂导热性较低，温度升高会缩短设备的使用寿命[12]。虽然铝具有优异的导热性，但其高红外发射率使其容易被红外系统探测到[13]。研究表明，通过特定的微纳结构设计或与其他功能材料的复合，可以在保持基材优异热传导性能的同时实现红外隐身效果[14]、[15]。例如，王等人[16]通过阳极氧化在铝表面形成多孔氧化铝层以降低红外发射率。SnO?是一种重要的宽带隙半导体材料，不仅因其可调的红外反射率而受到关注，还因其能够精确调节红外辐射输出而受到重视[17]。其中，SnO?颗粒与金属铝之间的界面尤为重要，因为它可以在散热的同时提供对红外辐射的强选择性吸收[18]。周等人[19]提出使用SnO?/Al复合材料来制造高效、多功能的材料。近年来，纳米复合材料的发展使得通过控制SnO?颗粒的形状、大小和空间排列来优化导热性和红外伪装性能成为可能[20]、[21]、[22]。例如，黄等人[23]利用磁控溅射技术在铝上制备了SnO?纳米棒/Al复合材料，实现了低红外发射率和高导热性。然而，SnO?/Al复合材料的发展面临两大挑战[24]、[25]、[26]、[27]：首先是高界面热阻，这会降低系统的热传导效率；其次是材料在恶劣环境中的耐久性以及大规模生产的困难，这些因素阻碍了其实际应用[28]、[29]、[30]、[31]。因此，迫切需要一种既能解决热-红外矛盾，又能确保材料韧性和可扩展性的新策略，超越当前先进系统的性能妥协和加工复杂性[32]。为了降低界面热传导，我们在铝基板上涂覆了SnO?层形成叠加结构，并通过表面微纳结构处理进一步增强了复合材料的耐久性，旨在提升整体材料性能[33]、[34]、[35]、[36]。这种方案有望在不影响红外隐身的前提下实现良好的热性能，可能降低界面热阻并进一步提高复合材料的耐久性[37]、[38]。与依赖复杂工艺或仅关注单一功能的现有复合系统相比，本研究采用简单的喷涂工艺制备了SnO?/CNTs/Al涂层，利用了CNTs和SnO?的协同作用。更重要的是，该设计通过氟化处理实现了超疏水性，从而在一个材料系统中同时实现了热管理、红外隐身和表面保护的三重功能。此外，有机成分聚氨酯粘合剂和氟化硅烷（POTS）不仅起到了加工辅助或表面改性的作用，还具有不可或缺的多方面功能。聚氨酯粘合剂确保了无机填料（SnO?、CNTs）与铝基板之间的紧密结合和牢固附着力，减少了界面热阻，并提供了机械柔韧性。同时，自组装的POTS单层不仅降低了表面能，还在分子层面桥接了无机填料和聚合物基质，增强了界面相容性，减少了表面缺陷，并作为防止环境降解的主要化学屏障。这种有机-无机界面设计对于实现所报告的耐久性至关重要。
本文采用喷涂方法制备了基于铝的材料（SnO?/Al）复合材料，其中SnO?纳米颗粒和碳纳米管按不同质量比混合，并添加了分散剂、粘合剂和低表面能改性剂POTS，经过均匀分散后喷涂在预处理的铝基板上。通过场发射扫描电子显微镜（SEM）分析了材料的表面和截面微观形态，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征了材料的化学结构和相组成。利用高精度红外热成像技术研究了材料的红外隐身特性。通过静态接触角测量和滚动角测试评估了涂层的润湿性，并对其物理和化学稳定性进行了测试，包括耐磨性、耐酸碱性、耐高温性和耐水侵蚀性。此外，还系统地进行了自清洁、抗污染和防冷凝等表面性能实验。本研究旨在通过成分调节和表面改性，构建具有高导热性、红外隐身和超疏水特性的多功能复合材料，为恶劣环境中的电子设备提供热管理和隐身解决方案。
材料
铝基板购自友轩亿迈有限公司。SnO?购自超泰有限公司。1H、1H、2H、2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）购自上海麦克莱恩生化科技有限公司。聚氨酯购自成都龙源新材料科技有限公司。乙酸乙酯（C4H8O2）购自天津阿拉丁有限公司。MWCNTs购自上海吉邦有限公司。95%高纯度多壁碳纳米管购自富士曼公司。
微观形态分析
使用SEM对材料的表面形态和结构进行了详细表征，结果如图3所示。图3(a)显示了铝基板的SEM图像，表面非常光滑且缺乏疏水性。图3(b)显示SnO2颗粒分布均匀且大小不一，碳纳米管细长且相互缠绕，形成了复杂的网络结构。
结论
本文通过将SnO2纳米颗粒和碳纳米管的混合物喷涂在铝基板上研究了SnO2/Al复合材料。当SnO2与碳的质量比为1:1时，复合材料的接触角达到159.33°，表现出强烈的疏水性，这种疏水性变化会对复合材料的导热性和红外隐身性能产生影响。从结构角度来看，表面微结构仅发生了轻微的变化。
作者贡献声明
张英康：方法学研究、数据整理。尹卓珠：写作、审稿与编辑、数据整理。杨英平：方法学研究、数据整理。马永存：资源准备、方法学研究。洪振：资源准备、方法学研究。谢晨：资源准备、方法学研究。江志阳：写作、审稿与编辑、监督。薛明山：资源准备、方法学研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（12264030、62304096）、江西省自然科学基金（20232BAB211018）、江西省学术和技术领军人才计划（20243BCE51057）以及江西省重点研发计划（20212BBE51021）的支持。
