仿生鸟巢结构二氧化硅-碳纤维复合薄膜实现650℃高温高效电磁屏蔽

为解决航空航天领域对轻量化、超薄且耐高温电磁干扰(EMI)屏蔽材料的迫切需求，研究人员通过仿生鸟巢结构设计，将二氧化硅纤维(SiO2)的耐高温特性与碳纤维(CF)的电磁屏蔽性能相结合，开发出密度仅0.3 g/cm3、厚度0.35 mm的柔性复合薄膜。该材料在650℃下仍保持30 dB以上的平均EMI屏蔽效能，突破了传统陶瓷基材料刚性与厚重的局限，为高速飞行器高温部件防护提供新方案。

　　

随着现代电子设备和通信系统的飞速发展，电磁干扰(EMI)已成为威胁人类健康和设备安全的隐形杀手。在航空航天领域，高速飞行器面临的外部电磁环境尤为复杂，亟需能同时满足轻量化、超薄、柔性和耐高温的EMI屏蔽材料。然而现有技术路线陷入两难困境：金属材料虽屏蔽效能优异但密度大且易氧化；导电聚合物复合材料(CPC)虽轻便柔韧却难以承受350℃以上高温；传统陶瓷基材料虽耐高温却厚重刚硬。如何突破材料性能的"跷跷板效应"，成为制约航空航天技术发展的关键瓶颈。

中国科学院研究人员受鸟巢结构启发，创新性地将二氧化硅纤维(SiO₂)与短切碳纤维(T300)复合，通过机械预处理和溶液共混-真空抽滤技术，构建出具有多级氢键网络的SiO₂-CF复合薄膜。该研究通过扫描电镜(SEM)观察微观形貌，矢量网络分析仪测试2.6-18 GHz频段电磁参数，高温箱模拟650℃极端环境，系统评估了材料的机械性能、抗氧化性和EMI屏蔽效能。

机械性能部分揭示：仿生鸟巢结构通过纤维间氢键作用，使薄膜拉伸应力达2 MPa，弯曲半径小于5 mm仍保持结构完整，解决了陶瓷材料脆性问题。抗氧化性能测试显示，SiO₂纤维包裹CF形成物理屏障，使材料在650℃空气中氧化速率降低83%。EMI屏蔽机制分析表明，CF构建的三维导电网络通过多次反射-吸收损耗电磁波，室温下比屏蔽效能达92.6 dB/mm，高温时仍保持30 dB以上平均屏蔽效能，优于文献报道的CF/SiO₂(10 dB/4.75 mm)和ZrB₂/Al₂O₃(44 dB/1.2 mm)等材料。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，通过仿生学设计实现了无机材料柔性化革命，其创新点在于：① 首次将鸟巢结构引入高温EMI屏蔽材料设计；② 突破性实现0.3 g/cm³超低密度与650℃耐温性的统一；③ 开发出可规模化生产的溶液成型工艺。该成果不仅为高超音速飞行器蒙皮、航空发动机传感器等关键部件提供材料解决方案，其"结构-性能"协同设计思路更为新型功能材料开发提供范式参考。研究获得国家自然科学基金(12027901)支持，由Rubing Zhang负责课题设计，Yiping Li和Hongyu Guo完成主要实验与数据分析。