电磁波（EMW）吸收材料凭借其轻质、宽频与多功能特性，在电磁防护与军事隐身领域展现出巨大潜力。然而，传统吸波材料普遍存在阻抗匹配差、衰减机制单一的问题，难以兼顾超宽带吸收与结构多功能化。因此，开发跨尺度、多维度协同的宏观吸波材料具有重要意义。本文，北京航空航天大学袁野 副教授、李宜彬 教授等在《Carbon》发表名为”Cross-Scale Construction of Multidimensional Co₃Se₄/CNFs@rGO Aerogels for Highly Efficient Electromagnetic Wave Absorption”的论文，研究较提出了一种将“微观多组分异质结”与“宏观几何梯度”相结合的双结构设计策略，成功制备了具有超宽带电磁波吸收和多功能特性的Co3Se4/CNFs@rGO气凝胶。
具体而言，本研究采用电纺技术结合一系列后处理工艺，制备了具有1D/2D分级结构的Co₃Se₄/CNFs磁性功能组分。随后，将这些组分作为功能性填料掺入3D rGO基体中，并通过发泡和冷冻干燥技术构建出宏观气凝胶金字塔楔形阵列（CSC-PGA）。得益于微观层面的磁-介电双损耗协同网络以及宏观层面的分级多孔结构，CSC-PGA复合材料在厚度仅为3.2 mm时，最大有效吸收带宽（EAB）可达10.37 GHz（覆盖测试频率范围的54.5%），最小反射损耗（RLmin）低于-50 dB。采用现场拱形法评估时，CSC-PGA的测得最小反射损耗（RLmin）达到-36.58 dB，有效吸收带宽（EAB）达到13.90 GHz，展现出卓越的电磁波吸收性能。此外，得益于梯度截面、高孔隙率和表面疏水性，CSC-PGA 还展现出卓越的高温隔热性能。本研究为开发集“红外-雷达”兼容隐身性能于一体的轻质、宽带、耐候且多功能的宏观电磁波吸收材料开辟了一条新途径。
Fig. 1. Schematic flowchart of sample preparation (a); SEM figures of TA/PAN nanofibers (b), Co/CNFs (c), Co3Se4/CNFs (d), CSC-PGA (e). EDS spectrum of Co3Se4/CNFs (h-l).
Fig. 6. Wave Absorption Mechanism Diagram.
Fig. 7. Thermal insulation performance and surface wettability characterization of CSC-PGA.
在本研究中，通过将微观组分调控与宏观结构设计相结合，成功制备了具有优异电磁波吸收性能的Co3Se4/CNFs@rGO气凝胶金字塔楔形阵列样品。首先，通过将 TA 颗粒引入静电纺 PAN 纤维中作为过渡金属离子的成核位点，经过一系列水热反应、碳化和气相硒化处理，获得了结构完整的 1D/2D Co3Se4/CNFs 异质复合纤维。随后，将这些纤维作为功能组分掺入 rGO 基体中。物理表征表明，这些纤维在三维多孔石墨烯骨架中均匀分散，形成了一个交织的1D-2D-3D跨尺度微观电磁损耗网络。在微观层面，导电碳骨架提供了高效的导电路径，而Co₃Se₄纳米颗粒、CNFs和rGO之间丰富的异质界面则引发了强烈的麦克斯韦-瓦格纳界面极化，赋予该材料强大的电磁波衰减能力。宏观上，四边形金字塔阵列的梯度几何结构在空气与电磁波吸收材料之间构建了一个平滑的电磁阻抗梯度通道，极大地减少了边界处的镜面反射。同时，入射波在相邻金字塔侧壁之间发生多次反射，从而延长了传播路径。因此，在3.2 mm厚度下，CSC-PGA气凝胶实现了10.37 GHz的电磁带宽（EAB），最小反射系数（RLmin）小于-50 dB。组装成30 cm×30 cm尺寸的宏观金字塔阵列后，测得的电磁带宽扩大至13.90 GHz，最小反射系数达到-36.58 dB。雷达截面积（RCS）测试进一步证明，CSC-PGA能够将相干入射波有效转换为无序的尖端衍射波，无论在自由空间还是高反射性金属箔背衬条件下，均展现出极其出色的广角雷达隐身性能。此外，该材料还具有良好的表面疏水性及优异的隔热能力，这有效保障了其在潮湿环境中的结构和性能稳定性。
综上所述，本研究提出的“通过微观组分调控来控制介电/磁损耗 + 通过宏观梯度结构优化阻抗匹配”的双重设计理念，为设计下一代轻量化、宽带、全向及多功能电磁隐身装置提供了极具前景的思路。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121997
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