研究背景

随着电磁波技术的迅速发展，其在通信、雷达和智能设备中的广泛应用极大提升了人类生活的便利性。然而，随之而来的电磁干扰、辐射以及信息泄露等问题日益突出，对电磁隐身与信息安全提出了更高要求。传统电磁防护材料多具固定功能，难以实现电磁吸波与屏蔽之间的灵活切换，无法满足智能化与多场景环境下的动态防护需求。尤其在战场通信、无人系统和高精密电子设备中，如何在“吸波接收信号”与“屏蔽抗干扰”之间实现可控转换，已成为电磁防护领域亟待突破的前沿挑战。

主要内容

近日，南京航空航天大学郝秀清教授和周金堂教授团队在期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果“Programmable Electromagnetic Switching in Shape-Memory-Driven Liquid Metal/Polyimide/Aramid Nanofiber Aerogels for Intelligent Wave Management”。研究者通过定向冷冻干燥与液态金属浸渍技术，构筑了具有各向异性多孔结构的液态金属/聚酰亚胺/芳纶纳米纤维复合气凝胶（LPA）。具体而言，如图1所示，首先利用聚酰胺酸（PAA）与芳纶纳米纤维（ANF）的协同组装，通过定向冻结诱导冰晶沿单一方向生长，使PAA和ANF在冰晶间隙中逐步富集排列，形成具有定向孔道的轻质骨架结构；随后经冷冻干燥与热亚胺化转化，获得力学稳定的PI/ANF复合气凝胶；再通过超声改性液态金属分散液浸渍，使导电液态金属在多孔网络中均匀分布并形成可重构导电通路（图2）。该工艺不仅保证了气凝胶的结构完整性和可压缩性，还赋予材料优异的电导可调特性，为实现电磁吸波与电磁屏蔽功能的可逆切换和可编程调控提供了一种全新的材料设计方案。

创新点

一种具有形状记忆功能的 LM/PI/ANF 复合气凝胶在不同压缩应变下实现了微波吸波与屏蔽功能的可逆切换。

通过调节压缩应变引发液态金属在多孔网络中的重新分布，从而实现电导率和电磁性能的可编程调控。

该气凝胶在30%应变下实现了8.91 GHz的宽频吸波带宽，在80%应变下实现了高达28.21 dB的电磁屏蔽效能，动态响应范围达到47.97 dB。

图1. LPA复合气凝胶的制备过程

图2. 复合气凝胶的表征. (a,b)未压缩与压缩后LPA气凝胶的顶面形貌, (c,d) EDS中的Ga元素分布, (e) XRD, (f) 未压缩LPA气凝胶的侧面形貌, (g) TEM, (h) FTIR, (i-l) XPS.

性能

本研究制备的LPA气凝胶凭借其多尺度可调结构与液态金属网络，展现出优异的力学可逆性、电导可编程性及电磁功能可切换性。如图3所示，在外界压缩应变的驱动下，气凝胶的孔隙结构逐渐塌缩、致密，液态金属由分散态转变为连续导电网络，实现了由绝缘态向导电态的可逆转变；得益于形状记忆效应，材料在多次循环压缩与恢复过程中仍能保持稳定的形变回复与导电性能。

图3. LPA复合气凝胶的机械和电性能 (a) 压缩应力应变曲线, (b) 压缩循环应力应变曲线, (c) 压缩应力保持率与能量损耗系数, (d) 形状记忆性能, (e) 压缩LPA气凝胶改变电路电阻状态, (f) 不同LM含量下原始/压缩状态下的电阻, (g) LPA气凝胶在不同压缩比下的电阻变化, (h) 电阻切换循环性能, (i) LPA气凝胶在原始和压缩下的电性能仿真.

在电磁性能方面，LPA气凝胶能够实现“吸波—屏蔽”的可逆切换（图4,5）。在低压缩应变（20–40%）下，气凝胶保持较高孔隙率，液态金属仅形成局部导电通路，材料以介电损耗和界面极化损耗为主，表现出宽频吸波能力，有效吸收带宽高达8.91 GHz，最小反射损耗可达−63.98 dB。在高压缩应变（50–80%）下，孔隙高度致密，液态金属导电网络完全贯通，材料转为高效电磁屏蔽状态，总电磁屏蔽效能可提升至28.21 dB，实现对外部电磁干扰的有效阻隔。这一功能切换完全依赖气凝胶的形状记忆效应，无需持续外力即可在不同应变状态下固定和恢复，且在多次循环中仍保持稳定性能。

图4. LPA复合气凝胶的电磁参数. (a) 介电实部和介电虚部, (b) 磁实部和磁虚部, (c) 介电损耗正切值和磁损耗正切值, (d-f) LPA-20,LPA-30,LPA-40的Cole-Cole圆, (g) 导电损耗, (h) 极化损耗, (i) 涡流损耗因子, (j) 衰减常数, (k) 空气阻抗匹配.

图5. LPA复合气凝胶的电磁切换功能. (a-c) 电磁吸波性能, (d) EAB and RLmin, (e-g) 电磁屏蔽性能, (h) 不同压缩应变下的电磁切换性能, (i) 3D雷达波散射信号图, (j) 不同角度的RCS仿真曲线, (k) 电磁切换功能对比.

实验与模拟结果进一步揭示了功能切换的微观机制。压缩应变促使材料内部电流密度和电场集中增强，液态金属电子输运与极化效应增强，为应变驱动的电磁性能调控提供了结构基础。同时，气凝胶的多相界面、极性基团和各向异性孔道共同作用，增强了界面极化和电流环损耗，优化了电磁能量的吸收与传导路径，实现了对电磁波的方向性调控（图6）。基于形状记忆特性的可逆结构转变，气凝胶能够在“绝缘—导体”和“吸波—屏蔽”状态间实现可编程切换，为智能电磁管理提供了可靠的微观基础。

图6. LPA复合气凝胶的电磁切换功能机理. (a) 多重反射与散射, (b) 电导损耗, (c) 界面损耗, (d) 偶极极化, (e) 电磁波入射路径, (f) 电流路径随压缩应变的变化.

总之，作者基于形状记忆驱动结构重构和液态金属网络重组制备的LPA气凝胶，实现了电磁性能的可逆、可编程及宽范围调控，兼具吸波、屏蔽及智能响应功能。该材料的创新设计为可重构电磁防护、智能隐身及多场景电磁管理提供了全新的材料思路和应用潜力。

论文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202521612

人物简介

第一作者：

王树楠，硕士研究生，毕业于南京航空航天大学。

通讯作者：

郝秀清，南京航空航天大学教授，国家级青年人才。主要从事功能微结构的研究。个人官网简介：https://cmee.nuaa.edu.cn/2019/1219/c11752a190556/page.htm

周金堂，南京航空航天大学教授。主要从事电磁吸波材料的研究。个人官网简介：https://msc.nuaa.edu.cn/2019/0104/c6680a146663/page.htm