𝑵𝒂𝒏𝒐 𝑹𝒆𝒔.[制造]│河南大学龚春红课题组：仿生启发式电磁调控：氮化钛/石墨烯“微波吸收叶”超复合材料实现多级协同衰减

背景介绍

随着高通量无线通信技术与先进电子设备的广泛应用，电磁干扰（EMI）与电磁辐射污染问题日益严峻，亟需开发适用于复杂热环境的高性能微波吸收材料。材料的微波吸收性能高度依赖于阻抗匹配特性与介电损耗能力的协同优化；然而，传统复合吸波材料普遍存在显著的“温度漂移”缺陷：在高温环境下，热激发载流子迁移加剧，导致阻抗匹配与衰减机制之间的动态平衡被破坏，进而引发吸波性能的显著退化与失稳。热致条件下阻抗特性和衰减特性的解耦现象，已成为制约该类材料工程化应用的核心瓶颈。值得注意的是，在长期自然演化过程中，阔叶植物形成了具有多层平面构型的叶片结构，通过多重反射与散射等物理机制，高效调控光波传播路径，显著提升光能捕获效率与光合作用效能。此类天然多级有序结构不仅可增强材料对宽频电磁波的响应能力，亦能优化电磁波在介质内部的传播、耗散与干涉行为，因而为突破热致性能失稳难题、发展兼具宽温域稳定性与优异吸波性能的新一代微波吸收超复合材料，提供了极具启发性与可行性的仿生设计范式。

成果简介

该结构具有独特的离散二维构型，可有效诱导电磁波发生多重散射与界面反射，从而实现多级衰减，显著提升电磁能量的耗散效率。研究通过协同调控材料的高本征介电损耗特性与功能单元横向尺寸，系统建立了二维功能单元的结构–性能关联关系，并证实亚波长几何构型是主导电磁波损耗机制的关键因素。进一步阐明了功能单元横向尺寸（L）与介质中电磁波波长（λ_m）之间的构效关系，明确了L/λ_m的临界阈值：当L/λ_m ≈ 0.1时，离散二维单元可高效激发多重散射与级联衰减效应，在保持优异阻抗匹配的前提下显著增强介电损耗能力。所制备的TRMs 2样品在10 GHz处呈现显著吸收峰，最小反射损耗（RL_min）达−57 dB，有效吸收带宽（RL ≤ −10 dB）为3.8 GHz。此外，TRMs单元的离散分布赋予材料优异的热稳定性，在298–573 K宽温域内仍能维持稳定的阻抗匹配特性。本工作揭示了超复合材料中波–物质相互作用的尺寸依赖性临界阈值，为突破轻量化、宽温域微波吸收材料在阻抗匹配与强衰减性能之间难以兼顾的技术瓶颈，提供了具有普适指导意义的仿生设计新范式。

图文导读

图1 （a）自然界中光捕获机制的示意图，对比阔叶植物与针叶植物的结构特征；（b）TRMs/PDMS超复合材料的制备工艺流程示意图；（c）TRMs的扫描电子显微镜（SEM）图像；（d）TRMs的X射线衍射（XRD）图谱、（e）拉曼（Raman）光谱，以及（f）对应元素的能谱面分布（EDS mapping）图像。

图2 (a) TRMs 1、(b) TRMs 2 与 (c) TRMs 3 在 10.0 GHz 频率下的电场分布及功率损耗密度分布； (d) TRMs/PDMS 超复合材料的等效电路模型； (e) 厚度为 2.5 mm 时的微波吸收性能； (f) TRMs 1、(g) TRMs 2 与 (h) TRMs 3 的微波吸收特性。

图3 厚度为2.3 mm的TRMs/PDMS超复合材料的微波吸收性能：(a–c) TRMs-1、TRMs-2和TRMs-3在298–573 K温度范围内的三维反射损耗谱；(d–f) 对应的二维等高线图；(g, j, m) TRMs-1、(h, k, n) TRMs-2及(i, l, o) TRMs-3的温度依赖性介电性能 (ε_r^‘, ε_r^” and, tan δ_E)。

图4 (a）TRMs/PDMS超复合材料的Cole–Cole图；（b）等效电导率；（c）拟合极化损耗；（d）极化损耗占比；（e）拟合导电损耗；（f）导电损耗占比。

图5 (a–c) 厚度为2.3 mm的TRMs/PDMS超复合材料在298–573 K温度范围内的衰减常数（α）；(d–f) 其归一化输入阻抗|Z_in/Z₀|随频率的变化关系。

图6 电磁仿真与雷达散射截面（RCS）分析：(a-d) PEC、TRMs-1、TRMs-2和TRMs-3 的远场仿真结果；(e) 涂覆TRMs-2的模型飞机示意图；(f-h) PEC 和 TRMs/PDMS 超复合材料的 RCS 仿真极坐标曲线以及（i）二维曲线；(j) TRMs-2相对于PEC的RCS缩减值；(k) TRMs-2的微波吸收机理示意图。

作者简介

第一作者：张毅，河南大学化学与分子科学学院2023级博士研究生，导师龚春红教授。主要研究领域为电磁波吸收超复合材料。近年来，在Nature Communications, Nano Research, Chemical Engineering Journal等国内外期刊上发表SCI收录论文5篇。

通讯作者：龚春红，河南大学化学与分子科学学院教授，博士生导师，河南省特聘教授，中国材料研究学会超材料分会理事会理事，中国电子材料行业协会电磁防护分会理事会理事，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，主持国家自然科学基金项目3项、省级项目及企业合作项目多项。近年来，在Nature Communications, Progress in Materials Science, Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Letters, Infomat, J. Mater. Sci. Technol., Nano Lett., Nano Research, J. Mater. Chem., Composites Part B等国内外期刊上发表SCI收录论文70余篇；其中ESI热点/高被引论文10余篇。

文章信息

Zhang Y, Zhang L, Zhang M, et al. 2D TiN/graphene metacomposite for photosynthesis-inspired EM modulation and multi-stage attenuation. Nano Research, 2026, 19(12): 94909140. https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909140.