電磁波汙染和熱損傷對精密儀器，尤其是在航空航天領域，構成了嚴重威脅。功能性氣凝膠因其吸收電磁波和隔絕熱量的特性，提供了一種具有良好前景的解決方案。然而，最佳化這兩種特性時常面臨著一個以往研究中常常被忽略的矛盾：熱防護效果與材料厚度呈正相關，而電磁波吸收只能在特定厚度下達到最佳效果（圖1）。因此，目前的研究難以同時實現電磁波吸收效率和熱防護效果的平衡。
圖1.電磁波吸收和熱防護最佳化策略之間的矛盾。
為了解決電磁波吸收與熱防護效能共同最佳化中的關鍵衝突，中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出一種雙重防護材料的設計策略：i) 高孔隙率，以促進電磁波的多次反射和散射；ii) 衰減常數（）與阻抗匹配（Z）之間的良好平衡；iii) 透過改變壓縮厚度來調節導電性和電磁引數的能力；iv) 在高應變下具有可靠的結構魯棒性和耐久性；v) 各向異性熱導率，包括垂直方向（與層狀方向垂直）的超低導熱率和對齊方向（與層狀方向平行）的較高導熱率。鑑於此，研究人員設計並製備了一種兼備動態電磁波吸收效能和熱防護的功能碳彈簧（functional carbon spring,FCS）氣凝膠材料。相關研究成果以“Functional Carbon Springs Enabled Dynamic Tunable Microwave Absorption and Thermal Insulation”為題發表於國際學術期刊《先進材料》上 (Adv. Mater.2024, 36,2412605)。該論文的共同第一作者為中國科學技術大學博士後王澤宇、博士研究生李博和西北工業大學博士研究生李朝晨，通訊作者為中國科學技術大學俞書宏院士、朱銀波副教授和西北工業大學葉昉副教授。
FCS獨特的仿足弓長程層狀多拱微觀結構使其電磁波吸收效能可調，並具備優異的熱防護能力。透過調整壓縮應變從0%到50%，該材料的可調有效吸收頻寬可達13.4 GHz，覆蓋了測量頻譜的84%。值得注意的是，在75%應變時，吸收頻寬降至0 GHz，展現出新穎的吸波“開-關”切換能力。其超低的垂直熱導率（12.7 mW m −1K −1）和“面內高熱導，面外低熱導”的各向異性熱傳導機制賦予FCS卓越的熱防護效果。數值模擬表明，FCS在熱防護方面優於常見的蜂窩結構和各向同性多孔氣凝膠。此外，研究人員建立了“電磁-熱”雙重保護材料資料庫，直觀展示了該材料和設計策略的優越性。
圖2.a) FCS的可調的電磁波吸收效能與優異的熱防護能力。b)“電磁-熱”雙重保護材料資料庫。
這項研究闡明瞭限制具有優越電磁波吸收和熱防護特性的多功能氣凝膠材料發展的衝突，進一步提出了一個新的設計正規化。此外，所提出的隔熱材料資料庫和“電磁-熱”雙重保護材料資料庫也為直觀的效能比較提供了標準。
該工作得到新基石研究員專案、國家重點研發計劃、中國科學院戰略型先導科技專項基金、國家自然科學基金重大專案、中國科學院青年創新促進會、安徽省重大基礎研究專案等資助，以及中國科學技術大學微納研究與製造中心的支援。
論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412605
來源：中科大
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