具有大面积超疏水性和微波吸收特性的卷对卷微压印羰基铁粉掺杂复合薄膜

《Materials Reports: Energy》：Roll?to?roll micro?embossed carbonyl?iron powder doped composite films with large?area superhydrophobicity and microwave absorption

大尺寸超疏水微波吸波复合薄膜的制备及其性能研究。采用微热压成型技术制备了羰基铁粉末掺杂聚二甲基硅氧烷树脂薄膜，通过优化预固化时间和温度调控颗粒分散，实现了表面接触角150.1°的超疏水性和16.5GHz处-12.6dB的峰值吸波损耗，有效吸波带宽3.1GHz，兼具优异机械稳定性和规模化制备能力。

　　
该研究针对无人机等军事装备在低温高湿环境下表面结冰及雷达隐身需求，提出了一种通过微热压塑成型工艺制备大尺寸碳酰铁粉末（CIP）掺杂聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合薄膜的创新方案。该薄膜同时具备超疏水性能（接触角150.1°）和微波吸收性能（峰值损耗-12.6dB，有效带宽3.1GHz），为多功能材料在航空航天领域的应用提供了可行路径。

研究团队首先系统考察了CIP在树脂基体中的分散行为。通过建立 Voronoi 图像分析模型，发现当CIP与树脂质量比为2:1时，粒子分布均匀性（面积变异系数CV=0.98）达到最佳平衡状态。实验表明，在353K预固化6分钟后，树脂黏度显著提升（较初始状态增长约100倍），有效抑制了CIP颗粒的沉降迁移，使薄膜内部形成连续的磁性损耗网络，同时保持微米级沟槽结构的超疏水特性。

在工艺优化方面，研究创新性地引入静态预固化步骤。通过对比不同预固化时间（3/6/12分钟）和温度（343-373K）的工艺参数，发现6分钟预固化结合353K温度可使薄膜面积变异系数降低至0.85以下，同时实现3.1GHz的有效吸收带宽。这种优化显著提升了CIP颗粒在沟槽结构中的分布均匀性，使电磁波多次散射效应和界面电容效应协同增强。

研究还建立了CIP含量与性能的关联模型。当CIP添加量从2:1提升至4:1时，虽然微波吸收峰值损耗略有降低（-12.6dB→-7.9dB），但超疏水性能（接触角从150.1°降至143.2°）和机械强度出现明显下降。通过平衡材料相容性与功能需求，最终确定2:1的质量比为最佳配比，既保证超疏水表面（接触角>150°，滚动角<10°）又实现14-18GHz宽频带吸收（RL≤-10dB）。

在规模化制备方面，采用连续式滚筒成型工艺，成功实现250×200mm2大尺寸薄膜的稳定生产。测试显示，16个取样点的几何精度（CV=1.00±0.06）和表面性能（接触角波动<10%）均满足工业应用标准。机械测试表明，经过100次循环摩擦后，薄膜接触角仍保持>150°，反射损耗峰值仅下降0.3dB，验证了其优异的长期稳定性。

该研究突破传统制备工艺限制，通过微结构调控（50μm宽沟槽）和材料设计（磁性颗粒与弹性基体复合），首次实现超疏水和微波吸收的协同优化。所开发的工艺具有三大创新点：1）建立基于Voronoi模型的颗粒分散度量化方法，为功能性复合材料的微观结构设计提供新工具；2）开发静态预固化-热压塑成型两步法，有效解决磁性颗粒与有机基体相容性问题；3）提出多尺度协同损耗机制，通过微结构引导电磁波多路径衰减，同时保持表面超疏水特性。

在应用前景方面，该薄膜不仅适用于无人机的隐身防护，还可拓展至高铁车体除冰、风力发电机叶片防冻等场景。相较于传统氟碳树脂基超疏水材料，其微波吸收性能提升约30%，且成本降低60%以上（主要因采用工业级磁性粉末）。研究提出的工艺参数优化模型（温度-时间-填充量三元关系）为多功能复合材料的规模化制备提供了理论指导，对推动智能蒙皮、多功能涂层等先进材料的发展具有重要参考价值。