低填料负载下，石墨烯纤维调控芳纶纸实现超深微波吸收与高效导热

背景介绍

高频大功率电子器件与航空航天装备对兼具微波吸收与热耗散能力的芳基材料需求迫切。传统芳纶纸电磁透明且导热差；现有改性方案存在填料负载高、性能此消彼长的难题。填料网络拓扑结构常被忽视，一维石墨烯纤维可调控长径比，为同步优化吸波‑导热‑力学性能提供新路径。

研究成果

近日，浙江大学刘英军副教授、明鑫博士，青岛大学唐建国教授、沈文飞副教授团队联合攻关，提出石墨烯纤维介导的层级拓扑网络重构策略，采用可规模化湿法抄纸工艺，在芳纶纸基体中构建长径比可控的层级逾渗网络。该策略解耦石墨烯纤维填充含量与纤维长度两大变量，精准调控网络拓扑与电磁参数，平衡介电损耗与声子输运。优化样品 GAFP4‑4 仅 4 wt% 低石墨烯纤维填充量，匹配厚度 2.55 mm 时最小反射损耗‑82.6 dB，有效吸收带宽 2.4 GHz，面内导热系数可达 4.1 W/(m·K)，可实现 C、X、Ku 波段选择性吸波。高长径比石墨烯纤维产生力学补偿效应，缓解填料带来的力学劣化；RCS 仿真与红外热成像验证材料工程应用潜力，为航空航天多功能纤维复合材料提供普适拓扑设计框架，相关成果以《Scalable Graphene Fiber-Mediated Aramid Papers via Hierarchical Topology Network Reconstruction for Highly Integrated Thermal Management and Microwave Absorption》发表于《Advanced Fiber Materials》。

图文速览

图1. GAFP 复合材料制备流程、多功能机理与性能对比。(a) GAFP 制备工艺以及集微波吸收与热传导于一体的双功能机理示意图；(b) 规模化制备实物展示；(c) 材料柔韧性与散热性能演示；(d) 本研究样品与已发表文献的最小反射损耗、有效吸收带宽、匹配厚度、面内导热系数、填料含量五维雷达对比图。

图2. 纤维网络微观形貌与力学性能表征。(a) 芳纶纳米纤维纸、纯芳纶纸、GAFP 的光学照片与扫描电镜图像；(b) 拉伸测试后纯芳纶纸与 3 wt% 石墨烯纤维改性 GAFP 的断裂形貌；(c) 固定石墨烯纤维长度 4 mm，不同石墨烯纤维含量 GAFP 的应力‑应变曲线；(d) 不同石墨烯纤维含量样品拉伸强度与断裂应变统计柱状图；(e) 固定石墨烯纤维填充 4 wt%，不同石墨烯纤维长度 GAFP 的应力‑应变曲线；(f) 不同石墨烯纤维长度样品拉伸强度与断裂应变统计柱状图。

图3. GAFP 电磁吸收性能测试。(a) 不同石墨烯纤维含量、不同纤维长度下 2‑18 GHz 范围内复介电常数实部、虚部以及介电损耗正切；(b) 不同石墨烯纤维含量‑长度组合下有效吸收带宽分布；(c) 各样品最小反射损耗以及对应的匹配厚度；(d‑g) 纯芳纶纸、GAFP5‑2、GAFP4‑4、GAFP1‑6 反射损耗三维曲面图。

图4. 雷达散射截面仿真结果。(a₁‑a₃) 纯芳纶纸，(b₁‑b₃) GAFP5‑2，(c₁‑c₃) GAFP4‑4，(d₁‑d₃) GAFP1‑6 在 4.85 GHz、9.57 GHz、17.88 GHz 下覆于理想导电基板的雷达散射截面三维仿真云图；(e‑g) 分别在 4.85 GHz、9.57 GHz、17.88 GHz 下，理想导电基板、纯芳纶纸以及各 GAFP 样品‑90°~90° 角度区间雷达散射截面变化曲线。

图5. 热管理性能及与文献对比。(a) 石墨烯纤维长度固定 4 mm，不同填料含量 GAFP 的面内导热系数；(b) 红外热成像测试装置示意图；(c) 以芳纶纸、GAFP 作为基底时热源表面温度变化曲线；(d) 红外热成像温度云图；(e) 本工作与已报道吸波导热一体化材料有效吸收带宽、最小反射损耗、面内导热系数性能对比。

链接：https://doi.org/10.1007/s42765-026-00778-z