南开/天科大《AFM》：纳米限域效应构建动态原子极化的自适应电磁伪装

主动可调隐身防护已成为应对多变电磁环境的关键。然而，能够承受严酷环境条件的多波段隐身材料仍然是一个长期存在的瓶颈。南开黄毅/天科大程博闻团队合作提出了一种基于芳纶纳米纤维组装动力学时序控制和受限碳化的热力学协同方法，该方法得到了具有高度各向同性的非取向网络结构，避免了冷冻结晶引起的结构畸变和应力集中。芳纶纤维表面预碳化纳米碳层的纳米限域效应有效地抑制了sp²域的z轴堆叠生长，促进了sp²-sp³杂化极性键的形成，实现高达1000 K下热稳定性和长期机械循环可靠性的协同增强。该材料在5.87-18 GHz实现了微波吸收的主动可逆调谐，在热红外波段具有7.8°C可调的表观温差窗口。这种跨波段动态调制能力的组合为军用/民用设备伪装系统的发展提供了出色的技术支持。

相关研究以Dynamic Atomic Polarization Engineering via Nanoconfinement for Adaptive Camouflage: Microwave to Infrared为题发表在材料学期刊《Advanced Functional Materials》上。

https://doi.org/10.1002/adfm.77431

研发背景

主动可调谐电磁吸收性能的实现，高度依赖响应介质在工作环境下的稳定电磁响应。基于相变温度、偏置电场与激励磁场等外场调控策略，已被广泛用于设计微波 / 红外波段的智能吸收器与反射器。然而，当工作温度升至约 1000 K 的高温区间时，常规响应介质普遍面临吸收性能失稳与热损伤失效等问题。碳基杂化气凝胶作为一类关键吸波介质，其合成与组装过程中引入的本征结构缺陷，在高温下难以维持稳定可预期的吸波特性；受界面极化弛豫时间随温度升高显著衰减的影响，其极化损耗呈现负温度系数；与此同时，热激活电子跳跃效应随温度提升而增强，进而导致传导损耗持续上升。传统碳基杂化气凝胶通常含有大面积连续 sp²碳畴，这不仅会提高热激活载流子浓度、引发阻抗匹配劣化，还会严重破坏可调谐介质的高温结构稳定性。因此，实现高温稳定、宽温域可调谐的电磁波（EMW）吸收，关键在于将损耗机制与sp²碳畴的热致扩展行为解耦，并依托高温可靠的结构调控策略突破现有技术瓶颈。

本研究首先在芳纶纳米纤维表面构筑超薄亲水聚乙烯醇（PVA）修饰层，调控芳纶纳米纤维的组装行为，将传统冷冻铸造过程中难以回避的诱导取向结构，转化为高应力稳定性的各向同性三维网络。随后，利用预碳化过程中形成的碳纳米壳层产生空间限域效应，有效抑制高温下碳 / 氧原子的逸出与碳自由基的大量生成，阻止 sp²碳畴沿 z 轴方向过度生长与连通。在此基础上，成功制备出兼具离散型 sp²纳米畴（作为欧姆损耗单元）与高密度 sp²–sp³极性键的杂化碳气凝胶材料。

图一：材料合成机理及效果示意图

图二：材料组装结构和杂化演化过程表征

图三：材料电磁性能和电磁仿真研究

性能展示

由于该材料克服了高温引起的机械损伤风险，展示了高度坚韧的机械框架和卓越的可逆压缩性，以及长期应力循环耐久性。值得注意的是，压缩调谐样品的吸收性能均超过了高温重组的对照组，并且在高频波段的带宽增加更为显著。优化的主动可逆调谐带宽覆盖5.87-18 GHz，RL低至-70.3 dB，且在接近2 GHz的低频介电损耗主要由传导损耗贡献，但随着频率升高很快转换为极化损耗为主。此外，基于该材料单轴传热设计的自适应红外伪装系统，在当热端接近体温37℃时，可将表观温度降低7.1℃，并通过压缩前后60%，表观温度可在1.8℃范围内可逆调节，当热端接近80℃，表观温差扩大到 60℃，同时线性可逆控制边界也增加到7.8℃。

图四：可调谐响应机理

这种跨频带动态适应调制能力，以及高温、高湿和重复机械应变等极端条件下经过验证的出色的环境耐受性，使该材料在复杂动态电磁环境中具有广阔的应用前景，有望成为国防和通信领域下一代调制伪装系统的高性能候选材料。

该研究得到了国家自然科学基金项目的支持，第一作者为青年教师单博。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤