CF@PANI多功能吸波材料的创新制备及其在结构增强与微波吸收协同优化中的突破性研究

针对碳纤维(CF)基复合材料在航空航天领域应用中面临的电磁干扰与机械性能难以协同优化的难题，青海省科技厅资助团队通过重氮反应和原位聚合法成功制备CF@PANI-x系列复合材料。该材料通过共价键接枝聚苯胺(PANI)纳米棒，实现反射损耗(RL)达-33.19 dB（1.1 mm厚度）、有效带宽4.35 GHz的优异微波吸收性能(MAP)，同时其环氧树脂复合材料的拉伸强度提升至87.68 MPa。研究开创性地将吸波功能直接整合于结构件制造流程，避免了传统涂层的易脱落问题，为多功能一体化材料设计提供新范式。

　　

在航空航天领域，碳纤维增强聚合物(CFRP)因轻量化、高强度的特性逐步替代铝合金，如波音787机身材料占比已达50%。然而，碳纤维的高导电性导致电磁波反射严重，传统解决方案如涂覆SiC或Fe₃
O₄
虽能改善微波吸收性能(MAP)，却常伴随涂层脱落和机械性能下降。更棘手的是，现有吸波材料多作为后期涂层使用，易剥离且增加额外重量。如何开发兼具结构强化与吸波功能的一体化材料，成为制约下一代飞行器设计的瓶颈。

青海省科技厅资助团队Yaping Gou等人提出创新方案：通过共价键将聚苯胺(PANI)纳米棒接枝至碳纤维表面，构建CF@PANI-x复合材料。该研究发表于《Materials Research Bulletin》，首次实现吸波功能与结构强化的同步优化。PANI的低导电性有效抑制碳纤维的趋肤效应，其末端氨基还能引发环氧树脂固化，形成化学键合网络。

关键技术方法
研究采用重氮反应对碳纤维进行氨基功能化，随后通过原位聚合生长PANI纳米棒。通过调控苯胺单体浓度（x=1,3,5）控制纳米棒长度与密度。采用矢量网络分析仪测试2-18 GHz频段电磁参数，通过传输线理论计算反射损耗(RL)。力学性能测试采用万能试验机，对比CF@PANI/epoxy与纯CF/epoxy复合材料的拉伸强度。

研究结果

结构演变
XPS和FTIR证实重氮反应成功在CF表面引入氨基，PANI纳米棒通过苯胺原位聚合形成核壳结构。SEM显示随着x值增加，PANI纳米棒从稀疏分布（CF@PANI-1）发展为致密绒毛状包覆（CF@PANI-5），比表面积显著增大。

微波吸收性能
CF@PANI-3表现出最优MAP：在1.1 mm厚度下RL达-33.19 dB（17.1 GHz），有效带宽覆盖13.65-18 GHz（4.35 GHz）。介电常数分析表明，PANI的引入使导电损耗与界面极化损耗协同作用：纳米棒增加偶极极化，同时其适度导电性（低于CF但高于绝缘体）优化阻抗匹配。

力学性能
CF@PANI-3/epoxy的拉伸强度达87.68 MPa，较纯CF/epoxy（84.86 MPa）提升3.3%。DSC证实PANI末端氨基参与环氧树脂固化反应，形成共价交联网络，这是机械性能增强的关键。

结论与意义
该研究突破传统"涂层式"吸波材料的设计局限，通过化学键合实现CF@PANI-x在环氧树脂基体中的多功能集成。其科学价值体现在三方面：

1. 机制创新：揭示PANI纳米棒通过导电/介电损耗协同及界面极化增强电磁衰减的物理机制；
2. 工艺突破：重氮反应结合原位聚合实现PANI的可控生长，氨基功能化同时解决材料兼容性问题；
3. 应用革新：材料可直接用于结构件制造流程，避免二次加工，为飞行器隐身-承载一体化设计提供新思路。

研究团队指出，未来可通过调控PANI掺杂度进一步优化电导率梯度，并探索其他导电聚合物（如聚吡咯）在类似体系中的应用。该成果对推动多功能复合材料在5G通信基站、军用隐身装备等领域的应用具有重要指导意义。