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  隨著無線通信、雷達(dá)探測和電子設(shè)備的快速發(fā)展，電磁波干擾（EMI）問題日益嚴(yán)重。高性能的電磁波吸收材料需要具備輕量化、高效吸收、寬頻帶和優(yōu)異的機(jī)械性能，但傳統(tǒng)材料往往存在結(jié)構(gòu)脆弱、吸收能力有限等問題。因此，研究人員希望通過設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來突破這一技術(shù)瓶頸。

  優(yōu)化單壁碳納米管(SWCNTs)在纖維素納米纖維(CNF)氣凝膠中的分散是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)微波吸收和多功能性的關(guān)鍵。同樣重要的是確保這些材料的機(jī)械耐久性和長期穩(wěn)定性。本文報(bào)道了一種結(jié)合球磨輔助單分散和自組裝技術(shù)的制備策略，以優(yōu)化氣凝膠的結(jié)構(gòu)。在球磨過程中，SWCNTs通過靜電斥力和位阻均勻分散，而自組裝過程改變CNF的內(nèi)部氫鍵，以防止過度致密化，隨后SWCNTs和CNF通過氫鍵作用形成了三維網(wǎng)絡(luò)。定向冷凍干燥產(chǎn)生了具有仿生蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)彈性復(fù)合氣凝膠。優(yōu)化后的氣凝膠具有優(yōu)異的電磁波吸收性能，最小反射損耗(RLmin)為?38.9 dB，有效吸收帶寬(EAB)為8.5 GHz，最大雷達(dá)橫截面(RCS)降低34.44 dB?m2。此外，這些氣凝膠表現(xiàn)出顯著的機(jī)械彈性，在極端條件下(-20?C)，在50次壓縮循環(huán)中保持高達(dá)86.1%的初始應(yīng)力。結(jié)合其優(yōu)異的隔熱和熱紅外性能，該氣凝膠為先進(jìn)的EMW管理和多功能應(yīng)用提供了巨大的潛力。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：材料獨(dú)特的構(gòu)建方式

圖2 SWCNT 的分散性能

圖3 垂直于z軸的二維最小反射損耗(RL_min)曲線a1、a2 CS5、b1、b2 CS20、c1、c2 CS35和d1、d2 CS50的。e不同樣品的最佳吸收曲線比較。f合成CS氣凝膠的最小反射損耗和有效吸收帶寬(EAB)。g CS20氣凝膠在厚度小于1.9 mm的RL_min數(shù)據(jù)。

圖4 介電常數(shù)a實(shí)部(ε′)，b虛部(ε′)，c介電損耗正切部(tanδε)， d Cole-Cole圓，e CS氣凝膠的微波吸收機(jī)理。f電導(dǎo)率損耗和極化損耗的貢獻(xiàn)程度。CS氣凝膠的|Z_in/Z₀|值。h CS氣凝膠與其他類型氣凝膠EMW吸收性能比較。

  基于上述分析，提出可能的吸波機(jī)理如下 （圖4）：1) 氣凝膠中固有的多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了二面角，這對EMW的多次反射和散射非常有利，增強(qiáng)了吸收能力。2) 三維網(wǎng)絡(luò)中存在的含氧極性基團(tuán)(如C-O, C-O)和C- N基團(tuán)的不同電負(fù)性導(dǎo)致極化位點(diǎn)的形成，進(jìn)而誘導(dǎo)偶極極化。3)亞微米寬CNF與SWCNTs界面處空間電荷的不均勻分布增強(qiáng)了界面相互作用，導(dǎo)致顯著的界面極化效應(yīng)，并形成明顯的共振峰。4)三維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性保證了SWCNTs的均勻分布，提供適當(dāng)?shù)?/span>電導(dǎo)率和良好的阻抗。特別是，在特定的共振頻率下，優(yōu)化后的蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和分散良好的SWCNTs之間的協(xié)同效應(yīng)可以通過增強(qiáng)的阻抗匹配和介電損耗實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。與其他材料相比，低密度CS氣凝膠即使在更薄的厚度下也表現(xiàn)出更寬的吸收帶，這是由于良好匹配的阻抗和改進(jìn)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微妙協(xié)同效應(yīng)。因此，合理調(diào)整材料結(jié)構(gòu)和SWCNTs的分散可以改善材料的微波吸收性能。

圖6 CS氣凝膠的力學(xué)性能。a壓縮應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，b壓縮循環(huán)曲線，c軸向最大應(yīng)力、應(yīng)力保持和50%應(yīng)變下的能量損失系數(shù)。d傳統(tǒng)CNF/SWCNTs氣凝膠(T-CS20)和CS20氣凝膠在500 g重量下的可壓縮性，e CS20氣凝膠在液氮中高達(dá)80%的可壓縮性。F 低溫下壓縮應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，g壓縮循環(huán)，h最大應(yīng)力，應(yīng)力保持，i低溫50%應(yīng)變下CS20的應(yīng)力-循環(huán)曲線。j CS氣凝膠的壓縮回彈機(jī)理。