专栏名称: 高分子科技

高分子科技®做为全球高分子产业门户及创新平台“中国聚合物网www.polymer.cn”的新锐媒体，实时报道高分子科学前沿动态，关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案，促进产学研及市场一体化合作的共同发展。

四川大学王延青 Nano Energy：具有高效微波吸收与多功能性的蜘蛛网结构气凝胶

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-18 11:59

正文

点击上方 “ 蓝字 ” 一键订阅

随着无线通信、雷达探测和电子设备的快速发展，电磁波干扰（ EMI ）问题日益严重。高性能的电磁波吸收材料需要具备轻量化、高效吸收、宽频带和优异的机械性能，但传统材料往往存在结构脆弱、吸收能力有限等问题。因此，研究人员希望通过设计新型纳米结构复合材料来突破这一技术瓶颈。

基于此， 四川大学王延青特聘研究员 课题组在材料领域期刊 Nano Energy 上发表题为 “ Spiderweb-structured aerogels with high-efficiency microwave absorption and multifunctionality ” 的研究论文。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院材料与化工博士研究生 高彩琴 ，文章通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员 王延青 和四川大学电子信息学院副研究员张益。

优化单壁碳纳米管 (SWCNTs) 在纤维素纳米纤维 (CNF) 气凝胶中的分散是实现增强微波吸收和多功能性的关键。同样重要的是确保这些材料的机械耐久性和长期稳定性。本文报道了一种结合球磨辅助单分散和自组装技术的制备策略，以优化气凝胶的结构。在球磨过程中， SWCNTs 通过静电斥力和位阻均匀分散，而自组装过程改变 CNF 的内部氢键，以防止过度致密化，随后 SWCNTs 和 CNF 通过氢键作用形成了三维网络。定向冷冻干燥产生了具有仿生蜘蛛网状结构的轻质弹性复合气凝胶。优化后的气凝胶具有优异的电磁波吸收性能，最小反射损耗 (RLmin) 为 −38.9 dB ，有效吸收带宽 (EAB) 为 8.5 GHz ，最大雷达横截面 (RCS) 降低 34.44 dB ⋅ m² 。此外，这些气凝胶表现出显著的机械弹性，在极端条件下 (-20◦C) ，在 50 次压缩循环中保持高达 86.1% 的初始应力。结合其优异的隔热和热红外性能，该气凝胶为先进的 EMW 管理和多功能应用提供了巨大的潜力。

本文要点

要点一： 材料独特的构建方式

本研究通过球磨辅助将聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 和胆酸钠 (SC) 分散剂分子吸附到超长 SWCNTs 上，制备了单一分散的 SWCNTs 。随后，采用自组装策略重新设计 CNF 内部氢键。这种修饰减少了 CNF 之间通常密集的氢键相互作用，从而形成更宽的纤维束，更有利于与超长 SWCNTs 纠缠。在此基础上，利用定向冷冻干燥技术成功构建了具有蜘蛛网结构的复合（ CNF/SWCNTs ）气凝胶 (CS) 。受益于这种结构设计，气凝胶在轴向和径向上都表现出优异的回弹性。同时具有轻质高效吸收电磁波的优异性能。

图 1 CS 气凝胶的制备流程图

图 2 SWCNT 的分散性能

要点二： 结构优化与电磁波吸收性能

图 3 垂直于 z 轴的二维最小反射损耗 (RL _min ) 曲线 a1 、 a2 CS5 、 b1 、 b2 CS20 、 c1 、 c2 CS35 和 d1 、 d2 CS50 的。 e 不同样品的最佳吸收曲线比较。 f 合成 CS 气凝胶的最小反射损耗和有效吸收带宽 (EAB) 。 g CS 20 气凝胶在厚度小于 1.9 mm 的 RL _min 数据。

如图 3 所示，温度诱导的各向异性结构显著影响 EMW 的吸收行为，对比分析表明，当波垂直传播到 z 轴时，在匹配厚度 (d) 低于 5 mm 时，所有 CS 气凝胶都表现出比平行传播更高的 RL _min 。这种各向异性行为可以归因于垂直于 z 轴传播的 EMW 在气凝胶内遇到许多通道壁，这延长了传播路径并增强了衰减能力。相反，当 EMW 与 CS 气凝胶的 z 轴平行传播时，它倾向于穿越高速微通道，导致 EMW 透射。 EMW 吸收性能评估显示， CS 20 的 (RL _min ) 为 −38.9 dB ， EAB 达到 8.5 GHz 。最大雷达截面 (RCS) 减小值和最佳比吸收性能 (SMAP) 分别可达 34.44 dB ⋅ m ² 和 9216.5 dB ⋅ cm ² ⋅ g ⁻¹ 。

图 4 介电常数 a 实部 (ε′) ， b 虚部 (ε′) ， c 介电损耗正切部 (tanδε) ， d Cole-Cole 圆， e CS 气凝胶的微波吸收机理。 f 电导率损耗和极化损耗的贡献程度。 CS 气凝胶的 |Z _in /Z ₀ | 值。 h CS 气凝胶与其他类型气凝胶 EMW 吸收性能比较。

基于上述分析，提出可能的吸波机理如下（图 4 ）： 1) 气凝胶中固有的多孔结构产生了二面角，这对 EMW 的多次反射和散射非常有利，增强了吸收能力。 2 ) 三维网络中存在的含氧极性基团 ( 如 C - O, C-O) 和 C- N 基团的不同电负性导致极化位点的形成，进而诱导偶极极化。 3 ) 亚微米宽 CNF 与 SWCNTs 界面处空间电荷的不均匀分布增强了界面相互作用，导致显著的界面极化效应，并形成明显的共振峰。 4 ) 三维的导电网络的连续性保证了 SWCNTs 的均匀分布，提供适当的电导率和良好的阻抗。特别是，在特定的共振频率下，优化后的蜘蛛网状结构和分散良好的 SWCNTs 之间的协同效应可以通过增强的阻抗匹配和介电损耗实现高效的能量转换。与其他材料相比，低密度 CS 气凝胶即使在更薄的厚度下也表现出更宽的吸收带，这是由于良好匹配的阻抗和改进的导电网络的微妙协同效应。因此，合理调整材料结构和 SWCNTs 的分散可以改善材料的微波吸收性能。

要点三： 机械与热学特性

图 5 a 三维雷达波散射信号， b 样品表面电场分布， c PEC 和 CS 气凝胶在 −60˚~ 60˚ 扫描角范围内的雷达截面模拟值。 d 不同角度入射 EMW 时 CS 气凝胶的 RCS 值比较 CS 气凝胶在 e 径向和 f 轴向的导热系数。 g 热板表面温度变化曲线， h 红外热像图。将一张纸放在用酒精火焰加热的气凝胶上。 j CS 气凝胶的热传递机理示意图。

图 6 CS 气凝胶的力学性能。 a 压缩应力 - 应变 (σ-ε) 曲线， b 压缩循环曲线， c 轴向最大应力、应力保持和 50% 应变下的能量损失系数。 d 传统 CNF/SWCNTs 气凝胶 (T-CS20) 和 CS20 气凝胶在 500 g 重量下的可压缩性， e CS20 气凝胶在液氮中高达 80% 的可压缩性。 F 低温下压缩应力 - 应变 (σ-ε) 曲线， g 压缩循环， h 最大应力，应力保持， i 低温 50% 应变下 CS20 的应力 - 循环曲线。 j CS 气凝胶的压缩回弹机理。

作为一种优良的雷达隐身材料，它还必须具有有效的隔热性能，以保证设备的表面温度，从而实现红外隐身。如图 5 所示，将厚度为 15mm 的样品置于加热板上，温度为 80℃ 。加热 80 分钟后，样品底部仍为红色，表面仍保持蓝绿色，保温性能优良。气凝胶的热导率研究表明，气凝胶的轴向热导率略高于径向热导率。然而，材料的整体导热系数仍然很低。 CS20 气凝胶在径向上的导热系数为 0.037 W/m ⋅ K 。微波吸收气凝胶的压缩力学性能对其在航空航天应用中的耐久性至关重要。考虑 CS 气凝胶的各向异性微观结构，进行了循环压缩试验，以评估 CS 气凝胶在轴向和径向应变为 10% 至 70% 时的耐久性（图 6 ）。在轴向和径向上， CS20 在 70% 应变时的最大压应力分别为 45.78 KPa

四川大学王延青 Nano Energy：具有高效微波吸收与多功能性的蜘蛛网结构气凝胶

正文

请到「今天看啥」查看全文