《AFM》：可“捏”著調頻的微波吸收器！國防科大馮堅團隊制備彈性炭氣凝膠，應變驅動頻帶覆蓋S-Ku波段

實現15.2GHz超寬應變可調帶寬，高至75%壓縮下仍保持>8 GHz有效吸收，智能電磁防護迎來新突破！

近日，國防科技大學馮堅、馮軍宗團隊在彈性微波吸收材料領域取得重要進展。他們巧妙地利用六方氮化硼納米片（h-BNNS）調控由殼聚糖和纖維素納米晶衍生出的炭氣凝膠，成功制備出一種具有獨特“凹坑/凸起”層狀結構的彈性碳氣凝膠（CCB）。該材料能通過簡單的機械壓縮，動態地、寬頻地調節其微波吸收頻率，覆蓋了整個S波段至Ku波段（2-18 GHz），其應變可調的有效吸收帶寬（EAB）高達15.2 GHz。此外，即使在75%的極高壓縮應變下，其有效吸收帶寬仍能保持在8 GHz以上，解決了傳統可調吸收器在高應變下因阻抗失配而導致性能急劇衰退的瓶頸問題。該研究成果以“BN Nanosheets-Regulated Elastic Carbon Aerogel Microwave Absorber: Strain-Driven Broadband Frequency Shifting over S-Ku Bands with Sustained Large Bandwidth at High Strains”為題，發表于國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。碩士研究生詹煒凱和助理研究員胡藝潔為本文共同第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202519285

研究背景：智能電磁防護的“頻響”需求

隨著5G/6G通信、物聯網和雷達技術的飛速發展，電磁環境日益復雜，電磁干擾和電磁隱身問題凸顯。傳統的微波吸收材料往往是“靜態”的，一旦制備完成，其吸收頻帶便固定不變，難以應對復雜多變、頻率跳變的電磁環境。因此，開發能夠實時、動態調節吸收頻率的“智能”微波吸收材料成為迫切需求。

通過機械應變改變材料厚度，進而利用四分之一波長干涉效應來調諧吸收頻率，是一種直接有效的策略。然而，現有的碳基可壓縮材料（如石墨烯泡沫、MXene復合材料等）在高應變下，導電通路急劇增加，導致材料電導率飆升，引發嚴重的阻抗失配，使得入射電磁波大部分被反射而非吸收，最終導致吸收帶寬在高應變下急劇變窄甚至消失。如何在高變形下同時實現頻率調諧和寬頻吸收，是領域內一個長期存在的挑戰。

創新突破：h-BNNS——精妙的“導電閥門”

研究團隊的創新之處在于，將絕緣的h-BNNS作為關鍵功能單元引入到炭氣凝膠的層狀架構中。

“凹坑/凸起”結構增強界面極化：在雙向冷凍鑄造和碳化過程中，h-BNNS與殼聚糖/纖維素納米晶前驅體協同作用，形成了具有微拱形波浪狀的長程連續層狀結構，h-BNNS在其中構成了獨特的“凹坑/凸起”形態。這極大地增加了異質界面，促進了界面極化，增強了電磁波的損耗能力。

調控“電基因”，抑制高應變下的電導率飆升：h-BNNS的本征高絕緣性（體積電阻率>101?Ω·cm）是其發揮關鍵作用的根源。在壓縮過程中，它如同一個精妙的“導電閥門”，有效抑制了碳骨架因層間接觸點增多而導致的電導率過度增長，從而在高應變下依然能保持良好的阻抗匹配，讓電磁波“進得去”。

多尺度協同損耗機制：該材料同時具備導電損耗、界面極化損耗、缺陷偶極極化損耗（源于h-BNNS引入的B/N摻雜）以及由波浪狀層狀結構引起的多重電磁波散射，共同構筑了強大的寬帶吸收能力。

性能卓越：超寬可調帶寬與卓越穩定性

性能測試結果充分證明了CCB氣凝膠的卓越性能：

最優靜態性能：在未壓縮狀態下，優化樣品CCB-3的最小反射損耗（RLmin）達-60.09 dB（意味著超過99.9999%的電磁波被吸收），最大有效吸收帶寬（EABmax）為8.74 GHz（覆蓋9.26-18 GHz），厚度僅需2.8 mm。

驚人的應變可調性：對CCB-5樣品進行壓縮（0%至75%應變），其吸收峰頻率可從C波段連續移動至X波段、Ku波段，實現15.2 GHz的超寬應變可調EAB，覆蓋了95%的S-Ku波段。

關鍵突破：在75%的極高壓縮下，材料的EAB仍能維持8.14 GHz的寬頻帶吸收，性能遠超此前報道的大多數可壓縮吸收材料。

良好耐久性：經過1000次75%應變的循環壓縮測試后，材料仍能保持10.91 GHz的整體可調帶寬，展現出良好的耐久性。

總結與展望

本研究成功地將h-BNNS的絕緣特性與碳材料的導電特性相結合，通過巧妙的微結構設計，制備出了一種性能優異的應變驅動型寬帶可調微波吸收氣凝膠。這項工作不僅為解決可調諧吸收器在高應變下的帶寬縮窄難題提供了全新的思路，也展示了其在下一代智能可穿戴電子設備、自適應雷達隱身技術以及柔性電子器件電磁防護等方面的廣闊應用前景。（供稿單位：國防科技大學 空天科學學院）

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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