隨著5G/6G通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及高功率電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁污染問題已成為威脅國防安全、人體健康和電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的全球性技術(shù)難題。傳統(tǒng)的微波吸收材料由于存在吸收帶寬偏窄、吸收強(qiáng)度弱、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差且功能單一等問題。針對上述挑戰(zhàn)，華南理工大學(xué)郭建華教授、蔣興華研究員團(tuán)隊(duì)通過對碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前期制備了一系列吸波性能優(yōu)異的復(fù)合碳?xì)饽z材料，包括具有類卷心菜結(jié)構(gòu)的氟橡膠增強(qiáng)碳?xì)饽z（Matter, 2023, 6(12), 4321-4338）、具有層狀結(jié)構(gòu)的氧化鋯纖維增強(qiáng)石墨烯氣凝膠（Chem. Eng. J., 2023, 468, 143850）和具有多層梯度結(jié)構(gòu)的寬頻吸波MXene/石墨烯復(fù)合碳?xì)饽z（Small, 2024, 20, 2401755）。
然而，在深？碧、潛艇作戰(zhàn)以及水下通信等領(lǐng)域，復(fù)雜的水下環(huán)境對材料的綜合性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。海洋裝備運(yùn)行產(chǎn)生的低頻噪聲（頻率<2000 Hz）難以被常規(guī)多孔材料有效吸收，且深水高壓環(huán)境也容易導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)變形，聲波吸收性能變差。由此可見，現(xiàn)有吸波材料功能單一且無法在水下應(yīng)用，難以兼顧電磁吸收、聲學(xué)降噪與高力學(xué)強(qiáng)度的多重需求。
近期，華南理工大學(xué)郭建華教授、蔣興華研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廣東工業(yè)大學(xué)張欣教授團(tuán)隊(duì)，通過高速攪拌發(fā)泡和冷凍干燥技術(shù)，成功制備了聚乙烯醇/碳復(fù)合氣凝膠（PCGA）。該材料具有優(yōu)異的水下壓縮回彈性（90%壓縮應(yīng)變下循環(huán)壓縮2000次氣凝膠無明顯變形）和形狀記憶效應(yīng)。通過多層組裝泡孔結(jié)構(gòu)的PCGA可以獲得GPCGA。GPCGA的微波吸收帶寬高達(dá)12.7 GHz，降噪系數(shù)達(dá)到0.55，為海洋通訊、潛艇隱身及水下噪聲控制提供了潛在應(yīng)用。相關(guān)成果以“Multilayer Polyvinyl Alcohol/Carbon Composite Aerogels with Broadband Microwave and Noise Absorption and Novel Shape Memory Effect”為題目發(fā)表于《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生余池，通訊作者為郭建華教授和張欣教授。廣東工業(yè)大學(xué)博士生施全權(quán)為該工作的吸聲性能測試和聲學(xué)有限元模擬工作提供了大力支持。該研究得到包括廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中山市重大科技項(xiàng)目等資助。
圖1 PCGA和梯度結(jié)構(gòu)GPCGA的設(shè)計(jì)與制備流程
通過高速攪拌、發(fā)泡和冷凍干燥技術(shù)，將羧基化碳納米管（CNT-COOH）、氧化石墨烯（GO）與聚乙烯醇（PVA）復(fù)合，形成多孔氣凝膠骨架。利用水塑性與濕壓組裝技術(shù)，將不同壓縮應(yīng)變的氣凝膠層堆疊為梯度結(jié)構(gòu)（大孔-中孔-小孔），通過氫鍵和π-π作用增強(qiáng)層間結(jié)合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多層泡孔結(jié)構(gòu)。
圖2 PCGA的化學(xué)與形貌表征
FT-IR與XRD分析證明PVA與GO/CNT-COOH通過酯鍵和氫鍵交聯(lián)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SEM分析顯示PCGA在不同壓縮應(yīng)變下（0~90%）發(fā)生微觀形變，孔隙結(jié)構(gòu)隨壓縮應(yīng)變增大而逐步閉合。TEM分析顯示CNT-COOH與GO片層被PVA膜均勻包覆，形成雙尺度多孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電損耗與極化損耗。
圖3 水下力學(xué)性能與形狀記憶效應(yīng)
水下壓縮測試顯示PCGA在90%壓縮應(yīng)變下可完全回彈，經(jīng)2000次循環(huán)壓縮后的最大壓縮應(yīng)力為初始值的74%，具有極好的壓縮回彈性。由PCGA制備的機(jī)器人模型壓縮后可通過吸水恢復(fù)原形，結(jié)構(gòu)保留相對完整。PCGA展現(xiàn)出優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)，類似于科幻小說《三體》中“脫水-吸水恢復(fù)原形”過程。原位顯微觀察顯示壓縮時(shí)氣凝膠的孔壁發(fā)生彈性變形，但沒有結(jié)構(gòu)損傷，可實(shí)現(xiàn)多次壓縮回復(fù)。
圖4 寬帶微波吸收與潛艇隱身模擬
壓縮應(yīng)變可以調(diào)控氣凝膠的介電常數(shù)，PC1G1A-90%的實(shí)部（ε''''）與虛部（ε''''''''）值最高，增強(qiáng)了電磁損耗。三層梯度結(jié)構(gòu)GPCGA（PC1G1A/PC1G1A-75%/PC1G1A-90%）在厚度為11.9 mm時(shí)對應(yīng)的有效吸收帶寬達(dá)到12.7 GHz（2.0~3.0和6.3~18.0 GHz）。CST模擬顯示，GPCGA涂層使?jié)撏Ｐ偷睦走_(dá)散射截面（RCS）最低達(dá)到?52 dBsm，隱身性能優(yōu)于單層PCGA。
圖5 噪聲吸收和模擬以及水下吸聲效果演示
梯度孔結(jié)構(gòu)（G(S-M-L)）在厚度為30 mm時(shí)的噪聲吸收系數(shù)接近1，降噪系數(shù)（NRC）達(dá)0.55，低頻噪聲（500~2000 Hz）吸收效率大幅提升。COMSOL模擬顯示，梯度結(jié)構(gòu)通過多級阻抗匹配延長了聲波傳播路徑，實(shí)現(xiàn)了能量的逐層耗散。水下測試中，G(S-M-L)將蜂鳴器噪聲聲強(qiáng)從77.2 dB降低至62 dB，有效實(shí)現(xiàn)水下噪聲吸收。因此，該研究制備的復(fù)合碳?xì)饽z在寬頻微波吸收、水下降噪等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502749
