隨著5G/6G通信技術的不斷發(fā)展以及高功率電子設備的廣泛應用，電磁污染問題已成為威脅國防安全、人體健康和電子設備穩(wěn)定運行的全球性技術難題。傳統(tǒng)的微波吸收材料由于存在吸收帶寬偏窄、吸收強度弱、結構穩(wěn)定性差且功能單一等問題。針對上述挑戰(zhàn)，華南理工大學郭建華教授、蔣興華研究員團隊通過對碳氣凝膠的結構設計，前期制備了一系列吸波性能優(yōu)異的復合碳氣凝膠材料，包括具有類卷心菜結構的氟橡膠增強碳氣凝膠（Matter, 2023, 6(12), 4321-4338）、具有層狀結構的氧化鋯纖維增強石墨烯氣凝膠（Chem. Eng. J., 2023, 468, 143850）和具有多層梯度結構的寬頻吸波MXene/石墨烯復合碳氣凝膠（Small, 2024, 20, 2401755）。
然而，在深海勘探、潛艇作戰(zhàn)以及水下通信等領域，復雜的水下環(huán)境對材料的綜合性能提出了更加嚴苛的要求。海洋裝備運行產生的低頻噪聲（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)境也容易導致材料結構變形，聲波吸收性能變差。由此可見，現有吸波材料功能單一且無法在水下應用，難以兼顧電磁吸收、聲學降噪與高力學強度的多重需求。
近期，華南理工大學郭建華教授、蔣興華研究員團隊聯(lián)合廣東工業(yè)大學張欣教授團隊，通過高速攪拌發(fā)泡和冷凍干燥技術，成功制備了聚乙烯醇/碳復合氣凝膠（PCGA）。該材料具有優(yōu)異的水下壓縮回彈性（90%壓縮應變下循環(huán)壓縮2000次氣凝膠無明顯變形）和形狀記憶效應。通過多層組裝泡孔結構的PCGA可以獲得GPCGA。GPCGA的微波吸收帶寬高達12.7 GHz，降噪系數達到0.55，為海洋通訊、潛艇隱身及水下噪聲控制提供了潛在應用。相關成果以“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材料科學與工程學院博士生余池，通訊作者為郭建華教授和張欣教授。廣東工業(yè)大學博士生施全權為該工作的吸聲性能測試和聲學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領域研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中山市重大科技項目等資助。
圖1 PCGA和梯度結構GPCGA的設計與制備流程
通過高速攪拌、發(fā)泡和冷凍干燥技術，將羧基化碳納米管（CNT-COOH）、氧化石墨烯（GO）與聚乙烯醇（PVA）復合，形成多孔氣凝膠骨架。利用水塑性與濕壓組裝技術，將不同壓縮應變的氣凝膠層堆疊為梯度結構（大孔-中孔-小孔），通過氫鍵和π-π作用增強層間結合，實現穩(wěn)定的多層泡孔結構。
圖2 PCGA的化學與形貌表征
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)定的三維網絡結構。SEM分析顯示PCGA在不同壓縮應變下（0~90%）發(fā)生微觀形變，孔隙結構隨壓縮應變增大而逐步閉合。TEM分析顯示CNT-COOH與GO片層被PVA膜均勻包覆，形成雙尺度多孔結構，增強了材料的導電損耗與極化損耗。
圖3 水下力學性能與形狀記憶效應
水下壓縮測試顯示PCGA在90%壓縮應變下可完全回彈，經2000次循環(huán)壓縮后的最大壓縮應力為初始值的74%，具有極好的壓縮回彈性。由PCGA制備的機器人模型壓縮后可通過吸水恢復原形，結構保留相對完整。PCGA展現出優(yōu)異的形狀記憶效應，類似于科幻小說《三體》中“脫水-吸水恢復原形”過程。原位顯微觀察顯示壓縮時氣凝膠的孔壁發(fā)生彈性變形，但沒有結構損傷，可實現多次壓縮回復。
圖4 寬帶微波吸收與潛艇隱身模擬
壓縮應變可以調控氣凝膠的介電常數，PC1G1A-90%的實部（ε''''）與虛部（ε''''''''）值最高，增強了電磁損耗。三層梯度結構GPCGA（PC1G1A/PC1G1A-75%/PC1G1A-90%）在厚度為11.9 mm時對應的有效吸收帶寬達到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_散射截面（RCS）最低達到?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
梯度孔結構（G(S-M-L)）在厚度為30 mm時的噪聲吸收系數接近1，降噪系數（NRC）達0.55，低頻噪聲（500~2000 Hz）吸收效率大幅提升。COMSOL模擬顯示，梯度結構通過多級阻抗匹配延長了聲波傳播路徑，實現了能量的逐層耗散。水下測試中，G(S-M-L)將蜂鳴器噪聲聲強從77.2 dB降低至62 dB，有效實現水下噪聲吸收。因此，該研究制備的復合碳氣凝膠在寬頻微波吸收、水下降噪等領域具有廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502749
