陕西科技大学张美云教授、杨斌副教授团队Adv. Fiber Mater.：功能结构一体化的多功能芳纶吸波蜂窝材料

电磁波吸收材料在电磁防护、隐身设备等军事领域和国防工业中具有重要意义。传统的吸波材料，如铁氧体和磁性金属颗粒由于其高磁损耗已经被广泛研究，但由于密度大、吸波频带窄、易腐蚀等缺点，限制其应用与发展，而强吸收、宽带宽、轻量化、智能化与功能集成化的微波吸收材料已成为研究热点。其中，微波吸收蜂窝材料不仅具有重量轻、强度高的优点，还能有效吸收电磁波，已成为隐身材料的重要发展方向。但由于其制备工艺复杂以及表面吸波涂层容易脱落等缺点，使其在实际应用中具有很大的局限性。

近日，陕西科技大学张美云教授和杨斌副教授团队开发了一种简单易行的纳米纤维-纳米片组装策略制备了功能结构一体化的芳纶蜂窝吸波（MAAH）材料。得益于芳纶纳米纤维（ANFs）之间相互交织形成的一体化超强蜂窝节点设计以及致密的三维网络结构，ANF蜂窝的抗压强度和韧性可分别达到18.6 MPa和2.0 MJ m−3，分别是商用芳纶蜂窝的6倍和25倍。更重要的是，MXene导电网络与蜂窝的多孔结构以及导电损耗、偶极和界面极化的协同作用使其具有优异的吸波性能，在厚度仅为1.9 mm反射损耗最小值可以达到-38.5 dB，几乎覆盖了整个X波段。此外，MAAH还具有出色的红外热隐身、吸音性能和结构完整性的实时监测功能，表明MAAH材料在航空航天和军事民用等领域具有广阔的应用前景。该研究“Functional-Structural Integrated Aramid Nanofiber‑based Honeycomb Materials with Ultrahigh Strength and Multi‑Functionalities”发表在Advanced Fiber Materials上。博士研究生孙浩为本文第一作者，杨斌副教授、张美云教授为通讯作者。

MAAH材料的制备策略

利用芳纶纳米纤维与MXene纳米片组装一步成型法制备了微波吸收芳纶蜂窝（MAAH）材料，该技术可以解决传统芳纶吸波蜂窝工艺流程制备冗长复杂、吸波涂层易脱落、树脂引入导致耐高温性能差等问题，多功能MAAH材料具有优异的微波吸收性能、超高的机械强度、出色的隔热阻燃、红外热隐身以及吸音性能。

图1 MAAH材料的制备过程、结构和功能

优异的力学性能

通过优化纯ANF蜂窝的几何参数，获得了具有优异力学性能的蜂窝材料。在特定的密度下，本研究制备的ANF蜂窝材料比天然蜂窝（蜂巢）、传统的芳纶纸蜂窝以及聚酰亚胺蜂窝表现出更高的压缩强度，其优异的力学性能主要归因于芳纶纳米纤维通过巨大的分子内和分子间氢键作用组装形成的致密网络和一体化的超强节点结构。

图2 MAAH材料的力学性能以及微观形貌

出色的微波吸收性能

更重要的是，MAAH材料展示了出色的微波吸收性能。当厚度仅为1.9 mm时，MAAH-20反射损耗最小值可以达到-38.5 dB，有效吸收宽带（EAB）几乎覆盖了整个X波段。通过适当的调节，可以实现一定厚度下超宽的EAB。

图3 MAAH材料的微波吸收性能

良好的隔热和阻燃性能

除了优异的机械强度和吸波性能外，MAAH材料还具有良好的红外隐身功能。未装备MAAH材料的飞机机身的辐射温度为140 ℃，而装备MAAH的机翼的辐射温度仅为30.8 ℃。与环境温度融为一体，表明MAAH可以作为一种有前途的高温红外热隐身候选材料。同时，MAAH材料具有优异的阻燃性能，去除火源后仍然可以保持结构的完整性。商业蜂窝由于含有树脂，易被点燃并释放有毒烟雾，且在去掉火源后表面变黑，结构被破坏。

图4 MAAH材料的隔热阻燃性能

环境稳定性、实时监测功能以及吸音性能

此外，MAAH材料在酸碱条件和极端温度下都具有极高的稳定性，而且在放置180天后仍具有优异的微波吸收性能。因此，MAAH材料可以实现在极端环境下的应用。更有趣的是，MXene构建的三维导电网络可作为应变传感器，通过检测电流的变化监测MAAH材料的内部结构，从而实现对MAAH结构完整性的实时监测。同时，得益于其多孔的结构，MAAH材料在高频段还具有良好的吸音性能。

图5 MAAH材料的环境稳定性、实时监测功能以及吸音性能

MAAH材料的规模化制备以及可回收性

值得注意的是，本工艺可以制备出大尺寸的MAAH材料，还能轻松获得具有各种构型的材料，为其规模化制备奠定了基础。MAAH材料还具有可回收性，经过多次回用后仍能保持优异的机械性能和吸波性能，展示了MAAH材料在实际应用中的巨大潜力。

图6 MAAH材料的规模化制备以及可回收性

结论

本研究通过简单易行的ANH策略成功制备了一种可扩展、可回收、无树脂的功能结构一体化的MAAH材料，为大规模工业化生产提供了极大的可能性。MAAH可在极端环境下工作，并展示出优异的隔热阻燃性能。这项成果不仅为新一代MAAH材料的发展提供了新的策略，也为吸波蜂窝材料在航空航天和军事领域的应用提供了理论指导。

参考文献：
Hao Sun, Bin Yang*, Meiyun Zhang*. Functional-Structural Integrated Aramid Nanofiber‑based Honeycomb Materials with Ultrahigh Strength and Multi‑Functionalities，Advanced Fiber Materials，
DOI: 10.1007/s42765-024-00411-x.

作者简介

杨斌，副教授、硕士生导师。陕西科技大学青年拔尖人才，“中国造纸蔡伦青年科技奖”、“陕西省青年科技新星”获得者，入选“2023年度全球前2%TOP科学家榜单”。作为项目负责人主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助与面上项目等10余项。研究成果获得国家科技进步二等奖1项（排名第4），教育部/陕西省科学技术一等奖4项。近五年在Adv. Funct. Mater, ACS Nano, Nat Commun.,等期刊发表论文40余篇，被引2400余次。

张美云，博导，二级教授，兼任中国造纸学会副理事长，国家重点研发计划首席科学家、国家“万人计划”领军人才、国际木材科学院 Fellow、全国优秀教师、全国优秀科技工作者、“全国高校首批黄大年式教师团队”负责人，“中国造纸蔡伦科技奖”获得者，主要研究方向为高性能纸基功能材料。

来源：高分子科学前沿

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