【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學(xué)材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室宋波教授、史玉升教授團(tuán)隊在國際知名期刊Advanced Functional Materials上以“Bioinspired Gradient Structure Enabling High Toughness, Shape Memory, and Adaptive Electromagnetic Absorbing Composites(仿生梯度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高韌性、形狀記憶與自適應(yīng)電磁吸收復(fù)合材料)”為題，發(fā)表關(guān)于仿生智能電磁吸收材料的研究成果。材料學(xué)院博士后庹智偉博士為論文的第一作者，材料學(xué)院宋波教授為論文唯一通訊作者，合作者包括香港城市大學(xué)呂堅院士等。
 

　　隨著第五代/第六代無線通信、高精度雷達(dá)探測以及智能電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電磁干擾與污染問題日益嚴(yán)峻，易對高精密儀器造成信號紊亂。理想的電磁吸波材料應(yīng)具備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的特點，即厚度小、密度低、吸收帶寬大且衰減能力強(qiáng)。然而，現(xiàn)有大多數(shù)吸波材料一旦制備完成，其電磁響應(yīng)便固定不變，難以在動態(tài)變化的復(fù)雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。同時，傳統(tǒng)吸波材料往往力學(xué)韌性不足，尤其在引入多孔結(jié)構(gòu)后極易變脆，嚴(yán)重制約了其在柔性自適應(yīng)器件與航空結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。如何在同一材料體系中同時實現(xiàn)高機(jī)械韌性、可編程變形與寬頻自適應(yīng)吸波，成為該領(lǐng)域亟待突破的難題。
 

　　受自然界鹿角獨特的皮層-松質(zhì)骨梯度結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團(tuán)隊設(shè)計并制備了一種環(huán)氧基Fe3O4/碳納米管(CNT)仿生復(fù)合材料(EFC)。 鹿角作為一種典型的天然復(fù)合材料，其內(nèi)部為高孔隙率的松質(zhì)骨核心，外部為致密的皮層骨，這種梯度過渡結(jié)構(gòu)既保證了優(yōu)異的力學(xué)緩沖與能量耗散能力，又能承擔(dān)外部載荷。團(tuán)隊以此為藍(lán)圖，通過重力誘導(dǎo)相分離策略，利用氣泡與填料之間的密度差異，自發(fā)形成了上層多孔、下層富Fe3O4/CNT填料的連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)，完全避免了傳統(tǒng)層-層組裝的復(fù)雜工藝。此外，在填料與環(huán)氧基體界面處構(gòu)筑了豐富的可逆氫鍵網(wǎng)絡(luò)，為材料的高韌性與形狀記憶行為奠定了分子基礎(chǔ)。
 

　　多尺度結(jié)構(gòu)表征證實了該仿生設(shè)計的成功實現(xiàn)。 掃描電鏡和能譜分析清晰顯示，復(fù)合材料從上至下呈現(xiàn)出從多孔層到致密填料富集層的連續(xù)過渡，整體密度低至約0.6 g/cm3，實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。透射電鏡觀察到，直徑約為11.8 nm的超小Fe3O4納米顆粒均勻原位生長在CNT表面，形成大量異質(zhì)界面與晶格缺陷。傅里葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜分析進(jìn)一步確認(rèn)了Fe3O4/CNT與環(huán)氧基體之間以氫鍵為主的物理相互作用，而非簡單混合。變溫紅外二維相關(guān)光譜分析揭示，這種氫鍵網(wǎng)絡(luò)具有高度動態(tài)可逆性。
 

　　在力學(xué)與形狀記憶性能方面，EFC展現(xiàn)出遠(yuǎn)超同類材料的綜合表現(xiàn)。 由于柔性鏈段增韌劑(PPDGGE)的引入以及Fe3O4/CNT界面處犧牲氫鍵網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，EFC的斷裂伸長率最高可達(dá)22.17%，遠(yuǎn)高于純環(huán)氧樹脂的2.12%以及大多數(shù)已報道的環(huán)氧基復(fù)合材料。即使經(jīng)過五次彎曲-回復(fù)循環(huán)，其斷裂伸長率仍保持在15.88%，多孔結(jié)構(gòu)未發(fā)生災(zāi)難性破壞，展現(xiàn)出良好的抗疲勞能力。在熱觸發(fā)形狀記憶測試中，得益于梯度結(jié)構(gòu)帶來的各向異性應(yīng)力分布，當(dāng)富填料側(cè)受壓時，強(qiáng)界面相互作用和致密氫鍵網(wǎng)絡(luò)賦予材料98.55%的超高形狀固定率；而當(dāng)富填料側(cè)受拉時，氫鍵作為彈性驅(qū)動力單元，使形狀回復(fù)率達(dá)到99.05%。這種各向異性調(diào)控能力，為實現(xiàn)可逆厚度調(diào)節(jié)的智能吸波器提供了直接驅(qū)動手段。
 

　　在電磁波吸收性能上，EFC實現(xiàn)了高效衰減與智能寬帶適應(yīng)的突破。 得益于梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)化的阻抗匹配，入射電磁波能夠更多地進(jìn)入材料內(nèi)部而非在表面反射。實驗表明，高填料含量的EFC5樣品在厚度為8.02 mm時，最小反射損耗低至-67.87 dB。在6.02 mm厚度下，最大有效吸收帶寬達(dá)到5.02 GHz，覆蓋3.93-6.26 GHz和15.31-18.00 GHz雙頻段。與均勻?qū)φ战M相比，梯度樣品在大部分2-18 GHz頻段均表現(xiàn)出更優(yōu)的吸收性能。研究進(jìn)一步揭示了多機(jī)理協(xié)同耗散機(jī)制，上層多孔結(jié)構(gòu)誘發(fā)多次內(nèi)反射與散射，延長電磁波傳播路徑，F(xiàn)e3O4/CNT形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)傳導(dǎo)損耗，豐富異質(zhì)界面產(chǎn)生強(qiáng)烈的界面極化，F(xiàn)e3O4納米顆粒通過自然共振和交換共振提供磁損耗。更重要的是，利用形狀記憶驅(qū)動的可逆厚度調(diào)節(jié)，EFC能夠在2-18 GHz全頻段內(nèi)動態(tài)切換有效吸收。為評估實際隱身效果，團(tuán)隊進(jìn)行了雷達(dá)散射截面(RCS)仿真。 結(jié)果表明，涂覆EFC后，金屬目標(biāo)(完美電導(dǎo)體)的雷達(dá)散射截面在33-42°角度范圍內(nèi)降至-10 dB·m2以下，且在整個0-90°入射角范圍內(nèi)均低于-10 dB·m2，展現(xiàn)出優(yōu)異的廣角與全向隱身能力。隨著形狀記憶誘導(dǎo)的厚度變化，雷達(dá)散射截面可被動態(tài)調(diào)控，實現(xiàn)了電磁特征的自適應(yīng)管理。
 

　　綜上，該研究通過融合仿生梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計、動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)調(diào)控以及形狀記憶驅(qū)動變形機(jī)制，成功在同一材料體系內(nèi)實現(xiàn)了高韌性、可編程形狀記憶與智能寬帶電磁吸收三大功能。研究工作從分子間的氫鍵相互作用、微觀異質(zhì)界面到宏觀梯度結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的多尺度設(shè)計策略。所提出的重力誘導(dǎo)相分離方法具備良好的工藝擴(kuò)展性，可與刮涂、等連續(xù)制造技術(shù)兼容，為大規(guī)模制備梯度結(jié)構(gòu)多功能復(fù)合材料鋪平了道路。該材料在自適應(yīng)隱身蒙皮、飛行器智能結(jié)構(gòu)、柔性機(jī)器人以及多功能電子封裝等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
 

　　引用：華中科技大學(xué)材料學(xué)院宋波教授等在仿生智能電磁吸波復(fù)合材料領(lǐng)域取得新成果 華中科技大學(xué)新聞網(wǎng)【引用時間：2026年6月1日】