随着5G/6G 通信与智能电子设备的快速普及，电磁干扰与电磁辐射污染日益严峻，发展轻质、薄层、宽频、强吸收的电磁波吸收材料已成为迫切需求。FeSiAl 软磁合金因高饱和磁化强度、高磁导率与低矫顽力，在低频段磁损耗方面极具优势；然而其本征高导电性易形成导电网络导致阻抗失配，单一磁损耗机制也限制了吸波带宽的进一步拓展。因此，将磁性 FeSiAl 与介电碳材料复合、并构建多尺度磁介耦合结构，成为突破上述瓶颈的关键。基于此，本文，西安交通大学陈小明 教授、张洁 副教授等团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表名为”Multiscale Magnetic–Dielectric Coupling in Bidirectionally Aligned Multilayer Graphene/FeSiAl Aerogels for Broadband Electromagnetic Wave Absorption”的研究论文。通过磁场辅助定向冷冻技术，制备了具有耦合微观和宏观结构的双向取向石墨烯/FeSiAl/聚酰亚胺气凝胶。
在微观尺度上，水平磁场使铁磁性FeSiAl薄片定向排列，而垂直温度梯度则引导石墨烯/聚酰亚胺气凝胶细胞壁的取向，从而形成正交有序的磁-介电网络。该网络在调节阻抗匹配的同时，还能促进导电损耗、界面/偶极极化以及磁损耗。经过优化的单层气凝胶在仅 1.32 毫米的厚度下就实现了 6.13 GHz 的最大有效吸收带宽 (EAB)，比仅采用温度梯度的同类产品提高了 52.49%，同时在 1.74 毫米处实现了 –57.35 dB 的最小反射损耗 (RLmin)。在宏观尺度上，通过逐层冷冻可构建多层气凝胶，从而实现宽带电磁波的入射和渐进式能量耗散。经过优化的多层气凝胶具有12.49 GHz的超宽有效吸收带宽（EAB）和–54.23 dB的最小反射损耗（RLmin），在正常入射条件下可显著降低34.08 dB的雷达截面积。这种多尺度耦合策略为开发轻质、薄型和宽带电磁波吸收器提供了一条有效途径。
Figure 1.Fabrication of the bidirectionally aligned graphene/FeSiAl/polyimide (PI) aerogel. (a) Schematic of the directional freeze-casting setup combining a magnetic field with a vertical temperature gradient provided by a liquid-nitrogen-cooled plate. (b) Illustration of the bidirectional alignment mechanism. (c) Layer-by-layer freezing process for assembling the multilayer aerogel.
综上所述，通过将有序化过程分解为两个正交的驱动力，构建了双向取向的石墨烯/FeSiAl/PI气凝胶。水平磁场使铁磁性FeSiAl薄片旋转至水平排列，而垂直温度梯度则驱动了定向冰晶生长，使石墨烯/PI组装成垂直的层状壁。这种双向取向协同调节了电磁参数。水平方向的FeSiAl薄片相互连接，形成了导电路径，从而加剧了传导损耗和界面极化损耗；而薄片的取向则改变了测试配置下的有效磁响应。因此，取向气凝胶在减薄厚度的情况下实现了更强的衰减性能：100-10-HT样品在2.23 mm厚度下达到了–63.69 dB的卓越最小反射系数（RLmin），而200-10-HT样品仅在1.32 mm厚度下就实现了6.13 GHz的等效带宽（EAB）。整体性能由衰减与阻抗匹配之间的平衡所决定。基于这一微观设计，通过遗传算法优化了宏观多层结构，将双向取向与不同长度尺度的梯度阻抗相结合。优化后的MA-4.9样品实现了12.49 GHz的宽带EAB，最小回波损耗（RLmin）为–54.23 dB，并在正入射条件下将雷达截面积（RCS）降低了34.08 dB。本研究表明，微观双向取向与宏观多层设计的协同耦合，是构建轻质、薄型和宽带电磁波吸收器的有效多尺度策略，为高性能隐身和电磁防护材料的发展提供了充满希望的途径。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.6c16307
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