吸波材料可通過(guò)吸收輻射到材料表面的電磁波，降低目標(biāo)的電磁特征信號(hào)，從而提升武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，是目前軍事裝備技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。然而，現(xiàn)有吸波材料大多屬于“被動(dòng)式”，即材料被制備出來(lái)后，其工作頻段、吸收帶寬等各種參數(shù)均隨之固定。而戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和武器裝備的使用場(chǎng)景是復(fù)雜多變的，僅僅依靠一成不變的“被動(dòng)式”吸波材料難以實(shí)現(xiàn)重要的戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。相比之下，具有隱身性能動(dòng)態(tài)可控，吸波/透波效果可隨使用場(chǎng)景智能變化的主動(dòng)吸波材料，越來(lái)越顯示出應(yīng)用價(jià)值，也是未來(lái)隱身材料領(lǐng)域的發(fā)展前沿。
南開(kāi)大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型電磁功能材料的研究，于2015年率先發(fā)展了基于三維石墨烯的寬頻雷達(dá)隱身材料，實(shí)現(xiàn)了吸波強(qiáng)度和有效吸波頻段智能可調(diào)（Adv. Mater., 2015, 27, 2049）；2018年首次報(bào)導(dǎo)了石墨烯復(fù)合材料的高效、超寬頻太赫茲吸波性能（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363）；2022年突破了新型二維磁性材料Fe 3GeTe 2的宏量制備方法，并率先獲得了對(duì)微波/太赫茲的高效吸收/屏蔽，實(shí)現(xiàn)了寬帶雷達(dá)散射截面的有效縮減（ACS Nano,2022,16, 7861）。
日前，南開(kāi)大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于石墨烯/二氧化釩復(fù)合氣凝膠的智能吸波材料。在升溫過(guò)程中（30℃到120℃），二氧化釩（VO2）展現(xiàn)出獨(dú)特的相變行為（單斜相到金紅石相），同時(shí)也為復(fù)合氣凝膠帶來(lái)導(dǎo)電率/電磁參數(shù)的巨大變化，最終賦予了其吸波性能隨溫度變化的“開(kāi)啟/關(guān)閉”智能切換效果。值得注意的是，在“開(kāi)啟/關(guān)閉”過(guò)程中，復(fù)合氣凝膠的有效吸收帶寬和反射損耗值的最大變化（ΔEAB和ΔRL）高達(dá)7.27GHz和49dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)吸波材料。相關(guān)研究以題為“Intelligent Off/On Switchable Microwave Absorption Performance of Reduced Graphene Oxide/VO 2 Composite Aerogel”的論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
研究者首先將VO 2進(jìn)行氨基化修飾，然后與GO溶液混合，通過(guò)溶劑熱反應(yīng)制備了復(fù)合氣凝膠，其中VO 2 納米顆粒以共價(jià)鍵形式“鉚釘”在了石墨烯片表面。通過(guò)原位升溫XRD和DSC等表征技術(shù)，證實(shí)了VO 2在氣凝膠內(nèi)部仍然可以發(fā)生單斜相到金紅石相的相變行為，相變溫度為67.8℃。
這種變化的電磁參數(shù)也帶來(lái)了吸波性能的變化。其中，當(dāng)氣凝膠厚度在4.3mm和5mm時(shí)，其在30℃的EAB分別為6.08GHz和5.12GHz，而在120℃的EAB均降至0GHz，從而實(shí)現(xiàn)了吸波性能的“開(kāi)啟”（30℃）到“關(guān)閉”（120℃）狀態(tài)變化。另外，當(dāng)材料厚度為2.82mm時(shí)，其最低RL值也由-61.9dB（30℃）提升到-12.9dB（120℃），兩者相差高達(dá)49dB。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這種“開(kāi)啟”到“關(guān)閉”的狀態(tài)變化來(lái)源于升溫過(guò)程中材料阻抗匹配性質(zhì)的弱化。
除了升溫過(guò)程中“開(kāi)啟”到“關(guān)閉”的狀態(tài)變化，研究者還發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行退火處理的復(fù)合氣凝膠在升溫過(guò)程中可發(fā)生“關(guān)閉”到“開(kāi)啟”的吸波性能變化。由于其在室溫環(huán)境中（30℃）導(dǎo)電性較弱，電磁參數(shù)較低，因此其對(duì)電磁波的損耗性質(zhì)不足，在3mm和4mm時(shí)的EAB為0GHz。而得益于升溫過(guò)程中VO2的相變行為，電磁參數(shù)逐漸提高，對(duì)電磁波的損耗性質(zhì)也逐漸增加，在120℃時(shí)的EAB分別達(dá)到4.52GHz和7.27GHz，最終實(shí)現(xiàn)了升溫過(guò)程中“關(guān)閉”到“開(kāi)啟”的吸波狀態(tài)變化。當(dāng)厚度為5.8mm時(shí)，其在30℃/120℃時(shí)的RL變化高達(dá)37dB。
此外，研究者還基于F16戰(zhàn)斗機(jī)的模型進(jìn)行了RCS模擬，進(jìn)一步證實(shí)了該氣凝膠在不同溫度環(huán)境下的智能隱身特性。
小結(jié)：研究者基于VO2在升溫過(guò)程中的相變行為，提出了一種智能開(kāi)關(guān)可切換吸波材料的制備方法。相關(guān)研究可為智能電磁器件、下一代吸波/屏蔽材料的發(fā)展提供新的思路。
作者簡(jiǎn)介：
黃毅，南開(kāi)大學(xué)材料學(xué)院教授，副院長(zhǎng)。先后承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973、863、國(guó)際合作、和國(guó)防重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)課題。在新型低維納米材料的合成、電磁性質(zhì)調(diào)控、高性能吸波/屏蔽材料等方面取得了系列創(chuàng)新成果，并拓展了其在電子信息、航空航天及國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái)，在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等刊物發(fā)表論文150余篇，先后有22篇文章入選ESI高被引論文，共被引用23000余次，H因子55，入選科睿唯安 “全球高被引科學(xué)家”及愛(ài)思唯爾“中國(guó)高被引學(xué)者”。2018年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（R3），獲得天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（2015，2010）和二等獎(jiǎng)一項(xiàng)（2021）。
