中科院宁波材料所《ACS AEM》：三维多孔碳气凝胶，用于雷达隐身等

成果简介

微波吸收材料具有一系列理想特性，包括重量轻、外形薄、吸收带宽宽和吸收能力强。然而，复杂的使用环境对微波吸收装置和设备结构变形传感提出了挑战，需要创新的解决方案来维持安全运行。本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所满其奎 研究员团队在《ACS Appl Electron. Mater》期刊发表名为“Optimized Microwave Absorption and Structural Compression Sensing via Magnetic Fiber-Infused Aerogels with Reduced Graphene Oxide and Carbon Frameworks”的论文，研究设计并通过冷冻干燥法制备了一种含有磁性纤维和还原氧化石墨烯的三维多孔复合气凝胶。这种气凝胶具有优异的微波吸收性能和有效的结构变形传感能力。

这种复合气凝胶含有 11.11 wt % 的磁性纤维，并经过 800 °C 的热处理，实现了卓越的微波吸收性能，在厚度为 1.9 mm 时的最小反射损耗 (RLmin) 为 -59.6 dB，在 2.0 mm 时的有效吸收带宽 (EAB) 为 5.48 GHz。此外，这种气凝胶涂层在完全导电（PEC）表面上的雷达截面（RCS）值降低了 26.81 dBsm。优异的微波吸收性能归功于气凝胶的三维多孔结构（有利于多重反射）、磁性纤维（造成磁损耗）和氧化石墨烯还原（增加电损耗）。此外，气凝胶还具有显著的压阻特性，在压缩应变为 10%时，电阻率降低了 60%。优化的微波吸收能力与先进的压阻特性相结合，为雷达隐形表面形变传感提供了一种创新解决方案，大大提高了设备在严苛作战环境中的生存能力。

图文导读

图1.复合气凝胶制造过程的示意图。

图2.（a） AMF 的 SEM 图像，（b-f） AMF 对 Co、Fe、Cr、Si 和 O 元素的映射图像，（g） AMF 的 HRTEM 图像，（h） AMF 的 SAED 图，（i） TEM 图像和 （j） AMF-800 的 HRTEM 图像，（k） TEM 图像和 （l） S3-800 的 HRTEM 图像。

图3. (a, b) SEM images of S1-800, (c, d) SEM images of S3-800, and (e) 3D CT image of S3-800.

图4. XRD patterns of (a) AMF and (d) S3, (b, c) Saturation magnetization and coercivity of AMF, (e) FTIR curves of S3, and (f) Raman spectra of S3 annealed at temperatures of 600–900 °C.

图5. Electromagnetic parameters at 1–18 GHz of (a) complex permittivity; (b) complex Permeability; (c) attenuation constant; angular tangent of (d) dielectric loss and (e) magnetic loss; and (f) impedance |Zin/Z0| of S3 annealed at different temperatures.

图6. Reflection loss of (a) S3-600, (b) S3-700, (c) S3-800, and (d) S3-900.

图7. (a) RCS simulation model, (b–f) 3D radar wave scattering signals of (b) PEC, (c) S3-600, (d) S3-700, (e) S3-800, and (f) S3-900 composite aerogel coating on PEC, (g) RCS simulated curves of PEC and composite aerogel coating on PEC, and (h) RCS reduction comparison of the composite aerogel coating on PEC.

图8. Piezoresistive property of S3-800 with the compression rates of 20, 10, and 5 mm/min: (a) schematic illustration of piezoresistive characterization, (b) cyclic stress–strain curve, (c) cyclic piezoresistive curves under various compression rates, (d–f) cyclic piezoresistive curve dependence on compression strain, (g) schematic illustration of piezoresistive mechanism.

小结

总之，利用Taylor–Ulitovsky 法和冷冻干燥工艺合成了三维多孔碳气凝胶，它是磁性纤维和rGO的复合材料。这种独特的多孔结构与磁性纤维的分布以及特定的化学和界面特性相结合，为气凝胶提供了多条反射路径和出色的微波吸收能力。S3-800 复合气凝胶的填料含量为 11.11 wt %，热处理温度为 800 °C，厚度为 1.9 mm 时的 RLmin 值为 -59.6 dB，厚度为 2 mm 时的 EAB 值为 5.48 GHz。此外，将复合气凝胶作为涂层涂在 PEC 表面时，RCS 值降低了约 26.81 dBsm。气凝胶还具有压阻特性，在 10% 的压缩应变下，电阻率变化率为 60%。这些增强的微波吸收特性和压阻特性为雷达隐身表面形变传感提供了一种新方法，从而提高了设备在复杂服役环境中的生存能力。

文献：https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c02057