摘要：随着无线通信技术和雷达侦测技术的不断发展，电磁波的应用已渗透到各个方面，特别是在军事、航空航天和通信领域。然而，在如太空这种极端环境下的电磁防护要求材料具有优异的隔热能力和机械性能，以承受剧烈的温度波动和复杂的外部应力。传统的气凝胶材料虽具有良好的隔热和电磁波
随着无线通信技术和雷达侦测技术的不断发展，电磁波的应用已渗透到各个方面，特别是在军事、航空航天和通信领域。然而，在如太空这种极端环境下的电磁防护要求材料具有优异的隔热能力和机械性能，以承受剧烈的温度波动和复杂的外部应力。传统的气凝胶材料虽具有良好的隔热和电磁波吸收特性，但在极端温度和反复机械加载下，其结构和机械性能往往会遭受不可逆的损害。这对材料的综合性能提出了更高的要求。
日前，天津大学封伟团队通过聚酰亚胺（PI）纤维增强石墨烯气凝胶，采用原位PI焊接技术平衡了传统石墨烯基气凝胶多界面特性与抗疲劳性能之间的矛盾。成功开发出一种基于石墨烯的复合气凝胶（G-PI@F20 /CNTx），该气凝胶在极端温度环境下展现出了卓越的超弹性、隔热性和电磁波吸收性能。相关工作以“Superelastic Graphene-Based Composite Aerogel for Thermal and Electromagnetic Protection in Extreme Temperature Environments”为题发表在Advanced Functional Materials上。该文章的第一作者为天津大学材料科学与工程学院博士研究生岳俊威，封伟教授和秦盟盟教授为论文的通讯作者。该研究受到国家自然科学基金重点项目和国家重点研发项目的资助。
微观结构和超弹性机制
在大应变压缩过程中，气凝胶内部孔壁之间可能发生的相对滑移或重排，以及孔结构的坍塌或变形是造成不可逆形变的主要因素。G-PI@F20气凝胶具有独特的三维PI纤维“焊接”骨架和分层多孔结构，树叶脉络状的孔壁连通成一个整体，纤维网络约束了孔壁的相对滑移，同时能够提供支撑力保持孔结构的稳定。气凝胶结构和交联机制如图1 所示。图1 气凝胶微观结构和PI纤维交联机制
20气凝胶展现出卓越的超弹性和疲劳抵抗能力，同时具备真空压缩的特性。这种优异的性能归功于其独特的结构设计，即交联的PI纤维网络和类似叶脉的连续孔壁结构，它们共同提供了强大的结构支撑和能量耗散能力。测试分析如图2 所示。图2 气凝胶的压缩回弹测试
电磁波吸收性能的卓越表现
20气凝胶在电磁波吸收方面同样表现出色。在厚度为3.6 mm至4.6 mm的范围内，样品B2均能实现超过10 GHz的有效吸收带宽（EAB）。样品C2在厚度4 mm时，其EAB达到12.34 GHz (5.66-18 GHz)，能够覆盖大半C波段和整个X和Ku波段。考虑到气凝胶在实际应用中可能会面临多次循环压缩的情况，文章针对压缩循环对于吸波性能的影响进行了研究。结果表明，在室温环境下经过1000次压缩循环过程的气凝胶样品结构依然具有较高的稳定性，能够保持优异的电磁波吸收性能。这些结果表明，该气凝胶在电磁波吸收领域具有巨大的应用潜力，尤其是在航空航天领域，可用于制造具备隐身功能的太阳能电池板等设备。结果如图3 和图4 所示。
图3 气凝胶的电磁波吸收性能
图4 气凝胶的电磁波吸收性能，以及压缩循环对于电磁波吸性能的影响
模拟与验证分析
为了验证该气凝胶在航天领域的应用潜力，利用模拟软件设计了卫星微模型，并将B2样品作为隐身层进行测试。如图5所示，该隐身层能够显著降低卫星模型的雷达散射截面（RCS），在2-18 GHz的频率范围内，隐身层通过协同损耗机制将电磁波能量转化为其他形式，从而有效减少了散射信号。这一发现进一步证实了G-PI@F20气凝胶在空间环境中的电磁防护应用潜力。图5 气凝胶样品作为卫星蒙皮结构时的RCS仿真结果
为了进一步验证该气凝胶的吸波性能，在微波暗室中采用弓形法测试了大尺寸样品的TM波吸收效果。如图6 所示，当厚度为4.1 mm时，其有效吸收带宽（EAB）可达12.48 GHz；而当厚度增加到20.3 mm时，超宽带吸收可达15.24 GHz，最佳反射损耗（RLmin）达到-43.49 dB。分层多孔结构、缺陷工程的引入、异质界面的设计以及电磁协同机制共同作用，使得复合气凝胶在超薄、轻质的条件下实现了对电磁波的高效吸收。弓形法测试结果再次验证了气凝胶的吸波性能的可靠性。图6 大尺寸样品的电磁波吸收性能验证
多功能应用场景的验证与分析
在类太空极端温度环境下，探测设备的隔热防护和电磁防护都十分重要，而G-PI@F20气凝胶体系同时具有两种优异性能，文章对极端温度环境下气凝胶的隔热性和电磁波吸收性能做了场景的演示和验证。如图7 所示，该气凝胶在太阳光照和阴影面之间超过300℃的温差下，仍能确保电子设备在-10~54℃的稳定工作温度范围内运行。图7 气凝胶的综合性能场景演示及验证
结论与展望
此项研究成功制备出石墨烯复合气凝胶G-PI@F20气凝胶，以其超弹性、隔热性和电磁波吸收的多功能集成，为航空航天及其他高技术领域的材料需求提供了可能的解决方案。该研究不仅有效平衡了传统石墨烯基气凝胶在极端环境下机械性能与抗疲劳性能之间的矛盾，还为其他纳米材料组装体在极端环境下的机械弹性问题提供了宝贵的参考。引用格式
J. Yue, M. Qin, H. Yu, Q. He, W. Feng, Superelastic Graphene-Based Composite Aerogel for Thermal and Electromagnetic Protection in Extreme Temperature Environments. Advanced Functional Materials, 2025, 2508319.
来源：高分子科学前沿一点号1
