新闻网讯（通讯员 庹智伟）近日，材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室宋波教授、史玉升教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上以“Bioinspired Gradient Structure Enabling High Toughness, Shape Memory, and Adaptive Electromagnetic Absorbing Composites（仿生梯度结构实现高韧性、形状记忆与自适应电磁吸收复合材料）”为题，发表关于仿生智能电磁吸收材料的研究成果。材料学院博士后庹智伟博士为论文的第一作者，材料学院宋波教授为论文唯一通讯作者，合作者包括香港城市大学吕坚院士等。
随着第五代/第六代无线通信、高精度雷达探测以及智能电子系统的飞速发展，电磁干扰与污染问题日益严峻，易对高精密仪器造成信号紊乱。理想的电磁吸波材料应具备“薄、轻、宽、强”的特点，即厚度小、密度低、吸收带宽大且衰减能力强。然而，现有大多数吸波材料一旦制备完成，其电磁响应便固定不变，难以在动态变化的复杂电磁环境中实现智能调节。同时，传统吸波材料往往力学韧性不足，尤其在引入多孔结构后极易变脆，严重制约了其在柔性自适应器件与航空结构件上的应用。如何在同一材料体系中同时实现高机械韧性、可编程变形与宽频自适应吸波，成为该领域亟待突破的难题。
受自然界鹿角独特的皮层-松质骨梯度结构启发，研究团队设计并制备了一种环氧基Fe3O4/碳纳米管（CNT）仿生复合材料（EFC）。 鹿角作为一种典型的天然复合材料，其内部为高孔隙率的松质骨核心，外部为致密的皮层骨，这种梯度过渡结构既保证了优异的力学缓冲与能量耗散能力，又能承担外部载荷。团队以此为蓝图，通过重力诱导相分离策略，利用气泡与填料之间的密度差异，自发形成了上层多孔、下层富Fe3O4/CNT填料的连续梯度结构，完全避免了传统层-层组装的复杂工艺。此外，在填料与环氧基体界面处构筑了丰富的可逆氢键网络，为材料的高韧性与形状记忆行为奠定了分子基础。
仿生梯度复合材料设计及制备思路
多尺度结构表征证实了该仿生设计的成功实现。 扫描电镜和能谱分析清晰显示，复合材料从上至下呈现出从多孔层到致密填料富集层的连续过渡，整体密度低至约0.6 g/cm3，实现了轻量化目标。透射电镜观察到，直径约为11.8 nm的超小Fe3O4纳米颗粒均匀原位生长在CNT表面，形成大量异质界面与晶格缺陷。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析进一步确认了Fe3O4/CNT与环氧基体之间以氢键为主的物理相互作用，而非简单混合。变温红外二维相关光谱分析揭示，这种氢键网络具有高度动态可逆性。
在力学与形状记忆性能方面，EFC展现出远超同类材料的综合表现。 由于柔性链段增韧剂（PPDGGE）的引入以及Fe3O4/CNT界面处牺牲氢键网络的协同作用，EFC的断裂伸长率最高可达22.17%，远高于纯环氧树脂的2.12%以及大多数已报道的环氧基复合材料。即使经过五次弯曲-回复循环，其断裂伸长率仍保持在15.88%，多孔结构未发生灾难性破坏，展现出良好的抗疲劳能力。在热触发形状记忆测试中，得益于梯度结构带来的各向异性应力分布，当富填料侧受压时，强界面相互作用和致密氢键网络赋予材料98.55%的超高形状固定率；而当富填料侧受拉时，氢键作为弹性驱动力单元，使形状回复率达到99.05%。这种各向异性调控能力，为实现可逆厚度调节的智能吸波器提供了直接驱动手段。
仿生复合材料力学性能及形状记忆性能
在电磁波吸收性能上，EFC实现了高效衰减与智能宽带适应的突破。 得益于梯度结构优化的阻抗匹配，入射电磁波能够更多地进入材料内部而非在表面反射。实验表明，高填料含量的EFC5样品在厚度为8.02 mm时，最小反射损耗低至-67.87 dB。在6.02 mm厚度下，最大有效吸收带宽达到5.02 GHz，覆盖3.93-6.26 GHz和15.31-18.00 GHz双频段。与均匀对照组相比，梯度样品在大部分2-18 GHz频段均表现出更优的吸收性能。研究进一步揭示了多机理协同耗散机制，上层多孔结构诱发多次内反射与散射，延长电磁波传播路径，Fe3O4/CNT形成的三维导电网络贡献传导损耗，丰富异质界面产生强烈的界面极化，Fe3O4纳米颗粒通过自然共振和交换共振提供磁损耗。更重要的是，利用形状记忆驱动的可逆厚度调节，EFC能够在2-18 GHz全频段内动态切换有效吸收。为评估实际隐身效果，团队进行了雷达散射截面（RCS）仿真。 结果表明，涂覆EFC后，金属目标（完美电导体）的雷达散射截面在33-42°角度范围内降至-10 dB·m2以下，且在整个0-90°入射角范围内均低于-10 dB·m2，展现出优异的广角与全向隐身能力。随着形状记忆诱导的厚度变化，雷达散射截面可被动态调控，实现了电磁特征的自适应管理。
仿生复合材料电磁吸波性能
综上，该研究通过融合仿生梯度结构设计、动态氢键网络调控以及形状记忆驱动变形机制，成功在同一材料体系内实现了高韧性、可编程形状记忆与智能宽带电磁吸收三大功能。研究工作从分子间的氢键相互作用、微观异质界面到宏观梯度结构，建立了系统的多尺度设计策略。所提出的重力诱导相分离方法具备良好的工艺扩展性，可与刮涂、等连续制造技术兼容，为大规模制备梯度结构多功能复合材料铺平了道路。该材料在自适应隐身蒙皮、飞行器智能结构、柔性机器人以及多功能电子封装等领域展现出广阔的应用前景。
论文链接
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75668
编辑：张雯怡
来稿审核：孙伟
审核：万霞、范千
审定发布：詹健
