随着新一代可穿戴电子设备和隐身技术的快速发展，对兼具轻质、柔性、宽带电磁吸收与热管理功能的多功能材料需求日益迫切。传统微波吸收材料普遍存在吸收带宽窄、材料厚度大、性能依赖成分调控等局限，难以满足实际应用要求。纤维纺织品因其低密度、可编织性和优异的机械柔性，在电磁波屏蔽与吸收领域展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战：单纤维缺乏层次化介观设计，耗散模式受制于导电主导机制，自由空间拓扑结构对阻抗匹配的影响机制不明确，宏观超结构编码策略尚不成熟。这些问题严重制约了纤维组装体电磁吸收效率的进一步提升。自然界中的北极熊毛发具有独特的中空通道结构，既能实现高效热绝缘，又能降低红外发射率，这种天然结构为设计新型电磁超材料提供了重要启示。现有研究虽已揭示梯度多孔结构对拓展吸收带宽的作用机制，但多局限于成分驱动设计，未能充分发挥结构调控的潜力。因此，建立从单纤维到宏观织构的跨尺度设计策略，系统研究宏观结构可编程性与本征材料特性的协同作用，成为开发下一代自适应微波吸收纤维纺织品的关键方向。
在这项研究中，研究人员提出了一种生物启发的自由空间架构工程策略，在石墨烯基纤维纺织品中程序化构建分层孔腔结构，实现了宽带电磁吸收与热管理功能的集成。通过多轴湿法纺丝和定向干燥技术，制备了两种仿生纤维体系：仿北极熊毛发的还原氧化石墨烯/银纳米线中空纤维（RAHF）和仿分形拓扑结构的还原氧化石墨烯/MXene/聚乙烯醇气凝胶纤维（RMAF）。基于空腔共振理论，系统研究了中空纤维壳层电导率变化和气凝胶纤维孔径分布对介电行为及微波吸收性能的影响机制。优化后的RAHF-2在3.8毫米厚度下实现了8.6吉赫兹的有效吸收带宽，最小反射损耗达-32.8分贝；RMAF-5-E在3.7毫米厚度下达到-59.1分贝的超强吸收，有效吸收带宽为8.5吉赫兹；RMAF-10-EA在2.0毫米超薄厚度下实现了-42.0分贝的强吸收表现。该研究通过调控自由空间拓扑形态，精确调制阻抗匹配，协同优化了传导损耗与极化损耗机制，建立了结构参数与电磁性能的定量关系。除电磁防护功能外，这些纺织品还展现出快速光热转换能力（60秒内升温至65摄氏度），为自适应热管理提供了新的解决方案。
该研究成功建立了基于自由空间架构工程的结构设计范式，突破了传统成分驱动设计的局限，在石墨烯基纤维材料中实现了微纳到宏观尺度的可编程结构控制。通过仿生中空纤维和气凝胶纤维的协同设计，获得了超宽带、强吸收、轻质柔性的高性能微波吸收纺织品，其中RMAF-5-EA在2.0毫米厚度下实现5.6吉赫兹有效吸收带宽，展现了优异的轻量化特性。研究阐明了空腔共振、界面极化放大和多尺度损耗机制协同作用的基本原理，揭示了自由空间拓扑结构对阻抗匹配的决定性影响。这项工作不仅为下一代智能纺织品提供了关键技术支撑，还为可穿戴电子设备、航空航天和6G通信系统等领域开辟了新途径。未来研究可结合机器学习优化自由空间参数，发展大面积连续化编织工艺，并探索实时频率和极化调控的自适应超材料纺织品。该设计框架解决了电磁隐身、热管理与智能防护的多功能集成挑战，对推动高性能多功能吸收系统的实用化发展具有重要意义。
文献信息
Bioinspired Free-Space Architecture Engineering for Broadband Electromagnetic Absorption and Thermal Management in Graphene-Based Fibrous Textiles
https://doi.org/10.1002/adfm.202530666
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