《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Functionally integrated hyperelastic aerogels: plant-inspired exoskeleton enhancement strategy for intelligently tunable electromagnetic wave absorption
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为应对固定频段吸波材料难以满足多样化需求的问题，研究人员受柳枝结构启发，采用外骨骼增强策略开发了一种超弹性复合气凝胶。该研究通过PDMS封装碳化芳纶纳米纤维，显著提升了力学性能（抗压强度提升109,900%）与耐久性（1000次压缩循环）。材料展现出优异的可调电磁波吸收性能：最小反射损耗达-46.22 dB，有效吸收带宽为6.88 GHz，且可通过压缩应变动态将吸收频带从C波段移动至Ku波段，实现“开-关”模式切换。此外，材料兼具热管理与自清洁功能，为军事领域智能电磁装备发展提供了新思路。
随着电子通信技术的飞速发展，从我们手中的智能手机到保卫家园的军用雷达，电磁波早已渗透现代社会的方方面面。然而，在这场无形的电波盛宴背后，一个棘手的难题也随之而来：电磁干扰和雷达探测。传统的电磁波吸收材料，就像一件固定尺码的“隐身衣”，往往只能针对某个特定频段有效。当通信频段切换，或者需要应对不同探测雷达时，这件“隐身衣”就可能立刻“失效”。如何让“隐身衣”变得“智能”，能够根据需要动态调整其“隐身”的频段，甚至集成更多实用功能，成为材料科学和军事科技领域亟待突破的瓶颈。与此同时，自然界经过亿万年的进化，早已为人类提供了无数精妙绝伦的解决方案。例如，柔韧的柳枝在风中摇曳却不易折断，其独特的内部结构赋予了它优异的力学性能。能否从这些自然杰作中汲取灵感，创造出既坚韧又“聪明”的新型材料呢？发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的这项研究，正是这样一次大胆的尝试。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是受自然界柳枝结构启发的仿生结构设计与制备策略，以此构建气凝胶的基本框架。其次，采用了外骨骼增强策略，核心是通过化学气相沉积或浸渍法，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）均匀包裹在预先制备的碳化芳纶纳米纤维（可由芳纶纤维通过碳化处理得到）表面或内部，形成“骨架-外鞘”复合结构。再者，通过精确控制PDMS的涂覆工艺参数（如浸渍浓度、时间、次数）来实现对其涂层厚度的调控。最后，利用矢量网络分析仪在微波频段（如C波段、Ku波段）系统测量了材料在不同压缩应变下的电磁参数（复介电常数与复磁导率），并基于传输线理论计算了其反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）。材料的力学性能通过万能材料试验机进行压缩循环测试来评估。
研究结果
1. 超弹性复合气凝胶的制备与结构表征
研究人员以自然界的柳枝结构为灵感，设计并制备了一种超弹性复合气凝胶。其核心创新在于采用了“外骨骼增强”策略，即利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对气凝胶内部的碳化芳纶纳米纤维进行封装。结构表征（如扫描电子显微镜SEM分析）证实，PDMS均匀地包裹在纤维表面，形成了类似柳枝“皮鞘”的增强相，从而构建了稳固的三维网络骨架。
2. 优异的力学性能与耐久性
得益于PDMS外骨骼的增强作用，该复合气凝胶表现出卓越的力学性能。压缩测试结果表明，其抗压强度最高提升了109,900%。更为重要的是，材料展现出超弹性和出色的疲劳耐久性，能够稳定承受高达1000次的压缩-释放循环而结构不发生明显破坏，这为其在实际应用中承受复杂应力环境奠定了基础。
3. 可调谐的电磁波吸收性能
研究系统评估了材料在不同PDMS涂层厚度下的电磁波吸收性能。通过调节涂层厚度，优化后的样品在特定频率下实现了最低达-46.22分贝（dB）的反射损耗（RL），并且有效吸收带宽（EAB，即RL < -10 dB的频率范围）达到了6.88吉赫兹（GHz）。这证明了材料本身具备强大的宽频吸收潜力。
4. 动态可调的吸收频带与“开-关”模式
此项研究最引人注目的发现是材料吸收性能的动态可调性。通过对气凝胶施加不同的压缩应变，可以有效地改变其内部结构（如孔隙率、导电网络连接），从而调控其电磁参数。实验结果显示，材料的有效吸收频带可以从C波段（4-8 GHz）动态地移动到Ku波段（12-18 GHz）。此外，通过应变控制，还能实现吸收性能的“开”（强吸收）与“关”（弱吸收）模式切换，这为智能隐身或频率选择应用提供了可能。
5. 雷达隐身性能模拟与多功能性演示
除了基础性能测试，研究还通过功率损耗密度和雷达散射截面（RCS）的仿真模拟，进一步验证了该复合气凝胶在实际场景中可调的雷达隐身性能。模拟结果直观展示了材料在不同状态下对雷达波的衰减能力。特别值得一提的是，该气凝胶还展现出良好的热管理性能（如隔热）和自清洁功能（如疏水性），使其成为一种多功能集成的先进材料。
结论与讨论
本研究成功开发出一种受柳枝启发的、基于外骨骼增强策略的超弹性复合气凝胶。该材料巧妙地结合了PDMS的柔韧封装与碳化芳纶纳米纤维的骨架支撑，实现了力学性能（超高强度、超弹性、优异耐久性）的飞跃式提升。在功能上，它不仅展现出卓越且可调的电磁波吸收性能（包括深吸收、宽带宽以及通过压缩应变实现的频带动态移动和“开-关”切换），还兼具热管理和自清洁等多功能特性。雷达隐身模拟为其实际军事应用提供了理论支持。这项工作的重要意义在于，它为解决传统固定频段吸波材料的局限性提供了一种全新的、智能化的材料设计思路。所提出的仿生外骨骼增强策略和动态性能调控机制，为未来开发用于智能隐身、自适应电磁防护以及多功能集成装备的新一代智能电磁材料开辟了新的途径，具有重要的科学价值与广阔的应用前景。
