在不增加重量的前提下实现对高功率电磁脉冲（HEMP）的有效屏蔽，对航空航天、国防及可穿戴系统至关重要，然而目前大多数轻质材料仍难以实现该目标。本研究提出了一种由芳纶纳米纤维（ANF）、纤维素纳米纤维（CNF）与MXene纳米片构建的多功能复合气凝胶。通过氢键与静电相互作用形成双网络结构，该气凝胶具备高孔隙率特性，并集强度、柔韧性和导电功能于一体。为评估气凝胶的瞬态防护能力，我们进一步采用基于时域有限差分（FDTD）建模的时域屏蔽效能（TDSE）模拟方法。结果表明，在类电磁脉冲照射下，该材料对电场峰值、变化率及能流密度均表现出显著抑制效果，证明了其在航空航天和国防系统等脉冲密集环境中的适用性。
近日，西北工业大学刘旭庆教授和西安科技大学曹乐副教授团队在《Composites Science and Technology》上，发表了最新研究成果“Dual-network aramid nanofibers/cellulose Nanofibers/MXene aerogels for lightweight, pulse electromagnetic interference shielding”。研究者创新性地采用化学解聚法制备芳纶纳米纤维（ANFs），通过KOH/DMSO处理解离芳纶纤维并加水再生形成20–50 nm纳米纤维，结合纤维素纳米纤维（CNF）构建氢键交联的双网络骨架，协同MXene纳米片经定向冷冻干燥形成多孔结构，在轻量化基础上实现三重突破：压缩强度达0.48 MPa（60%应变）、X波段电磁屏蔽>90 dB、150°C高温下保持55 dB屏蔽效能，为航空航天装备提供兼具力学韧性、脉冲防护及热稳定性的集成解决方案。
图1：ANF/CNF/MXene双骨架气凝胶的制备过程和设计策略。
如图1所示，首先采KOH/DMSO化学解聚芳纶纤维并加水再生，获得直径20–50 nm的ANFs纳米纤维；随后将ANFs与纤维素纳米纤维（CNF）按8:2质量比混合，引入MXene纳米片形成悬浮液；最后通过液氮定向冷冻结合冻干48小时构建双网络多孔结构。该结构兼具三重核心优势——高孔隙度可以，显著提升比表面积和电磁波多重反射能力、界面协同强化，ANF酰胺基与CNF/MXene羟基形成氢键网络，赋予0.48 MPa高压缩强度及>90 dB电磁屏蔽效能，以及高温稳定性，为航空航天轻量化电磁防护提供集成解决方案。
图2：复合双骨架芳纶基气凝胶的基础表征。
如图2所示，本文通过多尺度表征技术系统验证了复合气凝胶的微观结构：XRD分析显示MXene经蚀刻后(104)峰消失、(002)峰移至5.7°，证实少层结构成功剥离；FTIR光谱中ANF/CNF复合体系的O-H峰红移26 cm⁻¹（3320 cm⁻¹），且C=O(1632 cm⁻¹)、C-N(1257 cm⁻¹)峰强减弱，表明ANF酰胺基与CNF羟基形成强氢键网络；XPS深度解析进一步揭示O 1s结合能正移0.4 eV及峰宽增加，印证氢键交联导致电子密度重分布；SEM显微图像直观对比显示，CNF引入使孔径从纯ANF/MXene的1–5 μm细化至100–500 nm（图3c,d），构建出高比表面积双网络骨架。上述结果共同证实界面氢键与多级孔隙协同优化了材料力学与功能特性。
图3：复合双骨架芳纶基气凝胶的力学性能。
作者通过系统的力学测试揭示了复合气凝胶通过ANF/CNF双网络架构在氢键与静电作用协同作用下显著提升力学性能，在60%应变下实现0.48 MPa的高压缩应力，优于纯ANF系统；该优势归因于CNF的韧性贡献（纤维滑移和可逆氢键断裂耗能）与MXene的刚性强化，有效传递应力并维持结构稳定性，解决了传统气凝胶的脆性问题，为轻量化应用提供可靠机械支撑。
图4：复合双骨架芳纶基气凝胶在X波段的EMI屏蔽性能。
复合气凝胶在X波段实现超过90 dB的宽带电磁屏蔽效能其中吸收贡献>90%，其核心机制在于多尺度结构对电磁能的多重耗散作用：首先，高孔隙度显著降低表面波阻抗，通过优化阻抗匹配使90%以上电磁波进入材料内部，避免强反射污染；其次，内部MXene导电网络触发欧姆损耗，其高电导率诱导载流子迁移将电磁能转化为焦耳热；同时，ANF酰胺基（-NH-CO-）与MXene表面终端（-O/-OH）形成强界面偶极子，在FTIR证实C=O/C-N峰偏移，增强极化弛豫损耗；此外，层级孔隙迫使电磁波经历多重反射，路径延长效应进一步提升能量耗散效率。该材料在极端环境下仍保持优异性能——80%压缩应变下MXene网络致密化补偿孔隙损失其电磁屏蔽性能维持60 dB，150°C热老化后CNF氢键屏障抑制MXene氧化，SE保持55 dB，结合FDTD模拟证实的瞬态电场峰值及能量通量抑制能力，为高功率脉冲环境提供可靠防护。
图5：复合双骨架芳纶基气凝胶的EMI屏蔽机理图。
作者对复合气凝胶的EMI屏蔽机制进行了系统总结与图示解析，其作用机制包含多级协同过程（图5）。
图6：复合双骨架芳纶基气凝胶的热力学性能。
复合气凝胶的热力学性能优势源于其多级孔隙与界面协同设计：高孔隙率和亚微米孔径通过气固界面散射辐射热、抑制气体对流、阻断固相声子传导，实现超低热导率；同时，CNF表面羟基与MXene形成氢键屏障，显著延缓MXene高温氧化，结合轻量化特性，在180°C加热10分钟时背面温度较纯ANF/MXene体系低9°C；热重分析（TGA）进一步证实其高温稳定性，为电子设备热管理和航天热防护提供轻质集成解决方案。
图7：复合双骨架芳纶基气凝胶的TDSE评价。
作者基于有限差分时域（FDTD）建模的时域屏蔽效能（TDSE）模拟评估，该气凝胶在类似电磁脉冲照射下展现出对电场峰、变化率及能量通量的强效抑制；结果显示中心区域SEPR达56.60 dB以上且对极化角变化不敏感，边缘区域SEDR最高达64.47 dB，而SEWR则维持在约53 dB水平，证实了材料在脉冲密集环境中能有效衰减瞬态电场能量，克服传统频域指标的局限，突显其对高功率电磁脉冲的可靠防护能力。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353825003410
