基于鸟巢结构设计的轻质超薄SiO2-CF复合薄膜实现650℃高温电磁屏蔽突破

为解决航空航天领域高温电磁干扰(EMI)屏蔽材料存在的"刚柔不可兼得"难题，研究人员创新性地模仿鸟巢结构，将二氧化硅纤维(SiO2)与碳纤维(CF)复合，开发出兼具柔性(0.35mm)、轻质(0.3g/cm3)和耐650℃高温特性的新型薄膜，在2.6-18GHz频段实现92.6dB/mm的比屏蔽效能，为高速飞行器EMI防护提供创新解决方案。

　　

在现代电子技术飞速发展的今天，电磁干扰(EMI)就像无形的"电子雾霾"，不仅威胁精密仪器正常工作，更可能危及航空航天器的飞行安全。传统金属屏蔽材料虽性能可靠，却因重量大、易氧化等问题难以满足高速飞行器需求；而轻薄的导电高分子复合材料(CPC)又受限于350℃的耐温瓶颈。更棘手的是，耐高温的陶瓷基材料往往笨重僵硬，无法兼顾"薄如蝉翼"与"坚若磐石"的特性——这成为制约航空航天EMI屏蔽技术发展的"阿喀琉斯之踵"。

中国的研究人员从自然界的鸟巢结构中获取灵感，创造性地将二氧化硅纤维(SiO₂)的耐高温特性与碳纤维(CF)的电磁屏蔽性能相结合。通过仿生设计的三维交织结构，就像鸟儿用枝条筑巢般让无机纤维形成柔性网络，既解决了陶瓷材料的脆性问题，又通过氢键作用增强了机械强度。这种"师法自然"的设计思路，最终催生出厚度仅0.35mm、密度0.3g/cm³却能在650℃高温下保持30dB以上屏蔽效能的革命性材料，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究团队采用机械分散结合真空抽滤技术构建纤维网络骨架，通过聚乙二醇(PVA)和羧甲基纤维素钠(CMC)的协同交联实现结构稳定。关键创新在于：预处理阶段通过球磨使SiO₂纤维表面羟基化，增强与CF的界面结合；成型阶段模仿鸟巢的"枝缠藤绕"结构，使无机纤维获得反常的弯曲性能。X射线光电子能谱(XPS)证实纤维间形成了强氢键网络，这种"刚柔相济"的结构使薄膜拉伸应力达2MPa，弯曲半径可小于5mm。

【机械性能】部分揭示：纯SiO₂薄膜脆性大(断裂伸长率<1%)，而引入15wt%CF后，复合材料断裂能提升8倍。原子力显微镜(AFM)显示纤维交叉点存在纳米级"焊接"效应，这种微观互锁结构是实现柔韧性的关键。

【EMI屏蔽机制】研究表明：CF形成的三维导电网络通过多次反射-吸收损耗电磁波，在X波段(8-12GHz)表现出突出的介电损耗(tanδ>0.5)。特别值得注意的是，SiO₂纤维不仅作为耐温骨架，其表面原位生成的SiO₂保护层更使CF在650℃的氧化速率降低76%，解决了碳材料高温氧化的"卡脖子"问题。

【高温性能】测试显示：薄膜在氩气中可承受1000℃而不分解，在空气环境中650℃下保持30小时结构完整。红外热像仪证实，材料在高温电磁场中能均匀散热，避免局部热点导致的性能衰减，这归功于SiO₂纤维优异的热稳定性(热导率1.4W/mK)。

这项研究突破了传统材料"轻则不耐高温，耐高温则不柔"的桎梏，通过仿生设计实现了三大创新：首次将鸟巢结构引入无机EMI屏蔽材料；创制出首个兼具<0.4mm厚度与>90dB/mm比屏蔽效能的耐650℃薄膜；开发出普适性的陶瓷纤维功能化改性方法。正如通讯作者Rubing Zhang强调的，这种"结构-性能一体化"设计理念，不仅为高超音速飞行器EMI防护提供新方案，更开辟了极端环境用柔性电子器件的新研究方向。该技术已申请发明专利，其简易的真空抽滤制备工艺特别适合大规模生产，预计将在5G基站、深空探测等领域产生深远影响。