超弹性聚酰亚胺纳米纤维/石墨烯杂化气凝胶：用于可调谐宽带电磁波吸收的材料

《Applied Materials Today》：Superelastic polyimide nanofiber/graphene hybrid aerogels for tunable broadband electromagnetic wave absorption

三维轻质多孔气凝胶作为电磁波吸收候选材料，通过调控压缩形变参数实现阻抗匹配特性与选择性吸波能力。本研究开发出聚酰亚胺纳米纤维（PINF）增强的还原石墨烯氧化物（rGO）气凝胶，其纤维网络结构具有超弹性特性，在动态压缩过程中可逆调节微波吸收性能，反射损耗最低达-59.7dB，工作频段覆盖X波段（8.2-12.4GHz），并实现从吸波到透波的功能切换。

　　

李江鹏|范伟|蔡尧|邱明辉|陈琦|孔文婷|云坤龙|舒瑞文|贾浩

华南理工大学新兴软物质学院，中国广州510640

摘要

气凝胶因其三维轻质多孔结构，成为吸波应用的有力候选材料。尽管具有这种潜力，但开发能够动态适应实时环境变化的电磁波吸收材料仍面临巨大挑战。在本研究中，我们制备了一种超弹性聚酰亚胺纳米纤维（PINF）气凝胶，并添加了还原氧化石墨烯（rGO），形成了一个坚固、连续且各向同性的纤维网络。研究发现，通过调整压缩形状参数，该复合材料展现出可调的阻抗匹配特性，从而实现选择性波吸收。值得注意的是，在不同压缩状态下，该复合气凝胶的波吸收强度可动态调节至超过?59.7 dB，显示出动态可调的微波吸收性能。这一突破展示了该材料的可调智能功能及其作为可切换电磁波吸收材料的潜力，为开发具有响应性电磁特性的智能材料提供了新途径。

引言

无线通信技术的快速发展以及电磁频谱的广泛利用引发了对电磁污染及其对人类健康和信息安全潜在风险的关注[[1], [2], [3]]。因此，开发具有强吸收能力和宽频率覆盖范围的高性能微波吸收材料变得至关重要，以减轻电磁波（EMW）污染[[4], [5], [6]]。这些材料不仅在静态条件下需表现出优异性能，还必须具备智能调节能力，以适应动态应用需求和环境变化[[7], [8], [9], [10], [11]]。具体而言，它们在电磁波传输过程中应保持低电导率，以最小化反射和内部传导损耗[[12], [13], [14], [15]]。此外，智能电磁波吸收材料应减少电偶极子与电磁波之间的相互作用，从而减轻极化损失引起的信号干扰[[16], [17], [18], [19]]。这些特性使得智能电磁波吸收材料在复杂且精确控制的电磁防护系统和主动伪装技术中非常受欢迎。

气凝胶因其超低密度、优异的机械性能和多功能性而受到广泛关注，尤其是在极端环境下的出色弹性，使其在电磁防护应用中极具前景[20,21]。最近的研究集中在将石墨烯引入气凝胶中。石墨烯具有二维（2D）结构和丰富的表面功能，不仅增强了气凝胶的机械结构，还创造了丰富的异质界面和极化位点，从而实现了对其电磁功能的定制设计[22,23]。更重要的是，将二维石墨烯纳米片集成到三维（3D）宏观网络中，不仅为石墨烯纳米片的积累提供了有效策略，还提高了结构稳定性和可调性能，适用于多功能应用[24]。可变形石墨烯气凝胶的设计使得通过重构导电网络和界面结构，在机械刺激下动态可逆地调节其电磁参数成为可能。这种按需调节微波吸收性能的能力标志着向智能、自适应电磁功能材料的重要进展[25]。这类材料在电磁防护、智能通信和主动伪装领域具有广泛的应用潜力[26]。

在本研究中，我们提出了一种基于聚酰亚胺纳米纤维（PINF）/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶的应力驱动型可切换电磁波吸收材料。具体而言，超弹性PINF气凝胶作为可压缩和可恢复的三维骨架，而rGO主要作为导电填料提供电磁功能。聚酰亚胺（PI）纳米纤维网络具有众多“纤维连接”节点，表现出出色的机械柔韧性和压缩弹性。PINF/rGO气凝胶不仅具有优异的比表面积和显著的弹性特性，还在与其方向排列的多孔通道垂直的方向上表现出优越的电磁特性。对PINF/rGO气凝胶施加压缩力可显著减小其厚度，而不影响最佳阻抗匹配和良好的介电损耗正切值。这种结构调整使材料能够在X波段（8.2–12.4 GHz）内调节其峰值吸收频率，该频率范围广泛应用于雷达技术、卫星通信系统和无线数据传输系统。当受到增加的压缩应变时，气凝胶的阻抗出现不匹配，介电损耗正切值显著下降，从而使其主要功能从微波吸收转变为波传输。优化的PINF/rGO气凝胶在16.35 GHz时表现出出色的电磁波吸收能力，最小反射损耗（RL）达到?59.7 dB。微波吸收的动态可调性源于机械坚固的PINF骨架与导电的rGO网络之间的协同作用。这种PINF框架还为构建下一代电磁波吸收材料提供了多功能平台，能够整合多种耗散复合材料以实现更优异的吸收性能。值得注意的是，这种频率可调的吸收特性是完全可逆的，在100次压缩-恢复循环后仍保持结构完整性。

材料

N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、4,4-二氨基二苯醚（ODA）和三乙胺（TEA）均购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.，按原样使用。氧化石墨烯（GO）粉末购自佛山市新碳科技有限公司（纯度≥99.9%）。均苯四甲酸二酐（PMDA）购自东京化学工业有限公司。叔丁醇（TBOH）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。除非另有说明，所有试剂均按

结果与讨论

为了制备具有可调阻抗匹配特性和选择性波吸收能力的复合材料，按照图1a和S1所示的程序合成了PINF/rGO气凝胶。首先，通过静电纺丝制备了聚丙烯酸纳米纤维（PAANF）膜，然后将其掺杂GO并均匀化形成PAANF/GO纳米纤维分散液。接着使用静电纺丝技术制备了连续的、相互连接的PAANF

结论

总之，本研究开发的PINF/rGO气凝胶展现了出色的可调电磁波吸收特性，使其成为可切换宽带电磁波吸收材料的理想候选者。该材料能够在不同压缩条件下动态调节波吸收强度并在不同吸收带宽之间切换，凸显了其在智能和响应式电磁波吸收应用中的潜力。通过调整rGO的含量和厚度

作者贡献声明

李江鹏：撰写——初稿、研究、数据管理。范伟：撰写——审阅与编辑、研究。蔡尧：验证、方法论、概念化。邱明辉：软件、研究、数据管理。陈琦：软件、研究、数据管理。孔文婷：软件、数据管理。云坤龙：研究、数据管理。舒瑞文：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调。贾浩：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理，