多尺度机械-电磁耦合气凝胶：实现可调谐电磁波吸收与多功能集成
随着智能可穿戴电子设备与变形隐身平台的迅猛发展，兼具结构完整性、功能适应性与热稳定性的动态电磁波吸收材料已成为迫切需求。然而，传统电磁防护材料普遍受限于静态响应特性与力学性能不足，难以满足复杂动态系统对可重构功能的集成要求。针对这一挑战，东南大学孙正明教授、张培根副教授研究团队提出了一种多尺度协同增强策略，成功构建了PES/MXene/ANF（PMA）复合气凝胶体系，在超低密度下同步集成了优异的力学强度、高效隔热及卓越阻燃性。尤为突出的是，该材料通过力-电磁耦合机制实现了电磁响应的精准动态调控，其吸收频段可实现从X波段至Ku波段的连续、可逆迁移，为智能隐身与柔性电子领域提供了结构-功能一体化的创新解决方案。该论文以“Multiscale Mechanically–Electromagnetically Coupled Aerogels for Tunable Electromagnetic Wave Absorption”为题发表在国际知名期刊Composites Part B: Engineering（IF = 14.2）上，永乐高60net博士研究生张硕为该论文的第一作者，通讯作者为永乐高60net孙正明教授、张培根副教授、苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员和江苏林泰新材科技股份有限公司刘健。
图1. PMA复合气凝胶制备及PES增强ANF交联节点力学稳定性示意图。
研究核心：多尺度协同增强与力电耦合机制
本研究研究以去质子化芳纶纳米纤维（ANF）形成的高强度骨架为基体，引入热塑性聚醚砜（PES）作为“界面铆钉”，并结合二维Ti3C2Tx MXene纳米片作为电磁耗散中心。这一结构调控带来两项关键功能：
①多尺度增强构建稳固骨架：PES在ANF网络交联节点处通过热诱导形成类“铆钉”微结构，有效约束了大应变下的孔壁滑移，赋予气凝胶卓越的力学韧性（75%应变下压缩强度达0.972 MPa）。
②力-电磁耦合实现频率动态调控：利用气凝胶的多孔结构，通过外部压缩应变动态重构导电网络密度和异质界面极化强度，实现了吸波峰值频率窗口随应变的连续迁移。
受益于这种多尺度机械-电磁耦合结构，PMA-2复合气凝胶实现了电磁特性的动态按需调控。在0%至75%的压缩应变下，其最小反射损耗对应的峰值频率可从X波段（8.37 GHz）连续迁移至Ku波段（17.1 GHz），实现了吸波窗口的动态切换。结合有限元分析（PLD）的综合研究表明，随着应变增加，损耗机制由“体相主导”转变为“表面主导”，验证了压缩诱导的导电网络致密化对电磁波穿透深度和阻抗匹配的有效调控。
图2. (a) PMA-2气凝胶75%应变加载-卸载循环；(b)层间电势差微电容模型；(c-f) 0%~75%应变下的EAB值；(g)复介电常数实部与虚部；10次75%应变循环后：(h)复介电常数，(i)最小反射损耗，(j)有效吸收带宽；(k) 9/13/15 GHz下不同应变的PLD分布模拟。
除了优异的可调吸波性能，该气凝胶还展示了卓越的多功能集成特性。PMA-2具有超轻质（24.3 mg cm-3）和强大的力学承载能力，能够在150 °C的高温环境下保持优异的隔热性能（ΔT＞100 °C）。在阻燃测试中，其热释放速率峰值（pHRR）和总热释放量（THR）较纯ANF气凝胶显著降低，并优于大多数文献报道的气凝胶材料，表现出极高的火灾安全性。该工作为设计具有应变响应特性的智能隐身材料提供了一种简便策略，并为推进多功能集成电磁防护装备的发展提供了一条有前景的途径。
图3. PMA-2复合气凝胶多功能特性表征：(a)轻质特性；(b)机械承载能力；(c) 150°C热板隔热性能；(d)对应的红外热成像；(e)酒精灯火焰下阻燃行为；(f) ANF与PMA-2气凝胶的HRR曲线；(g) HRC、pHRR和THR定量对比；(h-i)与文献气凝胶材料的pHRR和THR对比；(j) TG和DTG曲线。
致谢
该工作得到了国家自然科学基金以及东南大学博士创新能力提升计划等项目的支持。
【文章信息】
Shuo Zhang, Feiyue Hu, Peng Zeng, Peiying Hu, Peigen Zhang*, Jin Wang*, Jian Liu*, Wei Zheng, Qiuhua Zhang, Longzhu Cai, ZhengMing Sun*. Multiscale mechanically-electromagnetically coupled aerogels for tunable electromagnetic wave absorption. Composites Part B (2026). 10.1016/j.compositesb.2026.113518.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113518