受植物茎秆启发的梯度结构复合气凝胶实现绿色电磁屏蔽、雷达隐身与热管理

《Journal of Colloid and Interface Science》：Plant stem inspired gradient structured composite aerogel enabling green EMI shielding, radar stealth and thermal management

　　

摘要

随着5G向6G技术的快速迭代以及高功率电子设备的深度集成，电磁干扰（EMI）已成为制约设备可靠性和军用装备隐身性能的关键瓶颈。传统屏蔽材料不仅因高表面反射率而易引发二次污染，而且难以同时满足轻量化设计、热管理和红外隐身等多重需求。为解决上述挑战，本研究受植物茎秆多孔结构的启发，通过静电纺丝和冷冻干燥技术制备了一种具有导电-磁性双网络的梯度结构复合气凝胶。梯度层设计逐步优化了阻抗匹配，从而构建了以吸收为主的绿色EMI屏蔽机制。结果表明，该复合气凝胶在8.2–12.4 GHz频段内实现了高达60.98 dB的EMI屏蔽效能和低至12.54%的反射率，有效防止了二次电磁污染，同时具备优异的雷达隐身性能，最小反射损耗（RL_min）达?39.6 dB。此外，所制备的复合气凝胶兼具卓越的电热和光热转换能力（稳态温度超过110 °C）以及出色的隔热性能。因此，本研究为轻量化、低反射、多功能集成的EMI屏蔽材料的开发提供了一条有前景的技术路径，在航空航天、军用伪装和可穿戴电子领域展现出广阔的应用前景。

引言

随着通信技术从5G向6G加速演进以及电子设备日益集成化，电磁波（EMW）在提升信息交换效率的同时，也带来了严重的电磁（EM）污染威胁[1]。过量辐射严重危害人体健康、设备运行和国防安全，使得高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料的需求迫在眉睫[2]。然而，传统EMI屏蔽材料主要依赖反射损耗，容易引发二次污染，同时还存在密度高、易腐蚀和加工困难等缺陷。此外，它们无法同时集成电磁损耗抑制和热管理等多种功能，难以适应现代复杂环境。

为解决二次电磁污染问题并从源头消除电磁能量，近期研究聚焦于引入磁性填料，通过介电损耗和磁损耗的协同效应实现入射电磁波的高效衰减[3]。然而，受限于阻抗匹配不良和内部多重反射路径有限，现有EMI屏蔽复合材料通常具有较高的反射系数（R > 0.5），无法满足"低反射、高吸收"的核心需求[4]。在此背景下，三维（3D）多孔结构（如气凝胶）通过延长电磁波传播路径并提供丰富的内部分散界面，在构建以吸收为主的EMI屏蔽材料方面展现出巨大潜力[5]。更重要的是，针对复杂场景的实际应用需求，EMI屏蔽材料亟需整合雷达隐身、智能电热和光热管理以及隔热性能等多种功能[6]、[7]、[8]。

作为一种纳米纤维制备技术，静电纺丝赋予材料高比表面积和可控形貌，通过微观纤维网络实现超轻量化EMI屏蔽，因此在EMI屏蔽材料领域具有独特优势。然而，受限于其二维（2D）平面构型，难以对电磁波产生多重反射和吸收效应[9]，从根本上制约了EMI屏蔽性能的进一步提升。为突破这一瓶颈，将静电纺丝技术与气凝胶相结合构建三维多孔结构已成为极具前景的研究方向。此外，传统低填料含量的气凝胶无法充分发挥介电和磁性组分之间的协同损耗效应。更关键的是，缺乏合理的梯度层设计来逐步优化阻抗匹配，阻碍了高效、低反射EMI屏蔽的实现[10]。为此，设计具有空间可变性质的导电/磁性梯度结构，可沿入射波方向逐步调控阻抗[11]、[12]，确保入射波被高效传输至材料内部而非在表面被强烈反射，从而为实现高性能、低反射的电磁防护材料提供了有前景的途径[13]、[14]。尽管近年来调控孔隙率梯度的策略已成功制备出超低反射率的吸波气凝胶[15]、[16]，但这些材料的结构设计往往忽视了导电层的合理构建，导致缺乏电热功能。这不仅限制了其在低温恶劣环境中的应用，也削弱了其主动遮蔽红外（IR）信号的能力。

本研究开发了一种具有双导电-磁性梯度网络结构的新型复合气凝胶。镍纳米线（NiNWs）和CNTs主要贡献介电损耗，而MnO₂微球主要提供磁损耗，从而在超低密度0.0813 g·cm^?3下实现了以吸收为主的EMI屏蔽性能与多功能集成。得益于梯度结构设计所实现的阻抗匹配逐步优化，入射电磁波被最大程度地耗散。该气凝胶在X波段（8.2–12.4 GHz）实现了高达60.98 dB的EMI屏蔽效能和低至12.54%的反射率，显著优于以往报道的EMI屏蔽材料。值得注意的是，该复合气凝胶同时集成了稳定的电热和光热加热响应（> 110 °C）、自适应雷达隐身性能（RL_min = ?39.6 dB）以及优异的隔热性能。因此，本研究为轻量化、低反射、多功能集成的EMI屏蔽材料的设计提供了一条有前景的技术路径。在无人机、户外电子屏蔽外壳和可穿戴军用装备等应用中，该气凝胶不仅能够抵御微波干扰、遮蔽红外信号，还能主动除冰并在极端温度下维持热稳定性，从而提供多功能保护[17]。

章节摘要

结果与讨论

本研究受自然植物茎秆多孔结构的启发，制备了一种具有导电-磁性双填料梯度分布的复合气凝胶。在植物茎秆（如竹子和芦苇）中，从外到内依次呈现致密的表皮层、过渡的韧皮部和疏松多孔的髓部，这种分级结构不仅实现了卓越的机械支撑和轻量化特性，还高效地调节

结论

本研究受植物茎秆多孔结构的启发，通过静电纺丝和冷冻干燥相结合的策略，成功制备了一种绿色EMI屏蔽复合气凝胶。该复合气凝胶实现了高达60.98 dB的EMI屏蔽效能和低至12.54%的反射率，同时展现出雷达隐身性能（RL_min = ?39.6 dB）。这归因于CNTs和MnO₂分别提供的优异介电损耗和磁损耗。与此同时，

作者贡献声明

韦然：撰写——原稿、方法论、数据整理。黄安娜：调查研究、形式化分析。张翔宇：形式化分析、数据整理。吴海涛：方法论、调查研究、数据整理。孙越：软件。杨建明：撰写——审阅与编辑、资金支持、构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52403078）、安徽省自然科学研究项目（编号：2024AH050170）以及安徽工业大学大学生科研训练计划（202610360140、S202610360268）的资助。作者感谢科学罗盘（www.shiyanjia. com）对XRD分析的支持。同时感谢SCI-GO（https://www.sci-go.com）提供VSM分析。

韦然 | 黄安娜 | 张翔宇 | 吴海涛 | 孙越 | 杨建明