航空航天技术的进步凸显了开发新型多功能防护材料的重要性，航天器在50K到493K的宽温度范围内长期服役，材料通常会经历开裂和老化，同时，微波频段的宇宙辐射对先进仪器设备也会产生负面影响。雷达和红外不同频段的探测方式导致其兼容隐身的实现存在一定难度。为了克服上述挑战，开发具有热防护和优异微波吸收的多功能材料至关重要，强吸收，宽带宽、轻量化、多功能的电磁波吸收材料成为研究热点。其中，多孔材料不仅具有轻质、高比强度等优点，其低的导热系数可以通过降低物体表面温度减少红外辐射，而且可以吸收电磁波以及承载结构部件，已成为当代隐身材料的重要发展方向。
近日，山东大学于美杰教授团队在期刊《Journal of Materials Science & Technology》上，发表了最新研究成果“Superelastic ribbon-like aramid nanofiber reinforced reduced graphene oxide aerogels for compatible infrared and radar stealth applications in harsh environments”。研究者通过采用分子插层的方法制备了带状芳纶纳米纤维，通过双向冷冻技术和热退火工艺制备了一种超轻还原氧化石墨烯气凝胶，具有由支撑桥相互连接的有序的层状结构。本研究中的GAC气凝胶，具有卓越的吸波能力（厚度为3.1mm时最小反射损耗为-52.65dB），力学性能（在90%应变下压缩强度222.4 kPa）、隔热性能（热导率仅为29.8 mW/mK）和阻燃特性（极限氧指数为37.7%）。
图1：GAC气凝胶的制备流程图及性能讨论。
利用异丙醇分子插层剥离凯夫拉纤维的方法制备了带状芳纶纳米纤维，将芳纶纳米纤维水分散液、氧化石墨烯以及羧基化碳纳米管混合的水溶液进行双向冷冻，随后进行冷冻干燥和热还原，制备了GAC气凝胶，根据碳纳米管的量的不同分别命名为GAC-0、GAC-1、GAC-2和GAC-3。
探究了带状芳纶纳米纤维作为增强纤维的优势，从AFM和XRD图可以看出，异丙醇剥离的纳米纤维具有带状的形貌，制备成的膜具有更明显的(200)晶面优势取向。分别将用异丙醇和水剥离的两种纳米纤维添加进气凝胶中进行压缩性能的测试，发现带状形貌对于力学性能有一定的提升作用，在70%形变下的压缩强度提高了约20%。制备的GAC气凝胶密度和收缩率都保持了极低的水平，并且具有大面积制备的潜力。
图2：GAC气凝胶的微观形貌及表征图。
从扫描图2a-c中可以看出其双向冷冻形成的层状形貌，以及纳米纤维在氧化石墨烯纳米片表面交织成的增强网络。热重图2f中可以发现，其在空气环境中450℃以下可以保持稳定的工作，这是它长期服役的基础。
图3：GAC气凝胶的力学性能及恶劣环境下的应用。
要想实现雷达红外兼容隐身，必须有力学性能的保障，制备的气凝胶具有优异的压缩回弹性，可以在80%的形变下完全恢复原状。图3b-e中展示了气凝胶的压缩回弹曲线，可知碳纳米管的引入对于压缩强度具有正向作用，却对弹性有着负面作用，GAC-2在90%应变下的压缩强度最高达到了222.4kPa。图3f展示了气凝胶的压缩循环性能，能够在500次循环压缩后保持85.3%的初始压缩强度。气凝胶具有恶劣环境下工作的性质，可以在液氮和酒精灯火焰燃烧的条件下保持压缩回弹性，其极限氧指数为37.7%。
图4：GAC气凝胶的隔热性能。
优异的隔热性能够通过降低物体表面的温度来实现红外隐身。GAC气凝胶的导热系数只有27-30mW/mK左右。使用压汞法测试，得出孔隙率均在93%以上，高孔隙率是气凝胶隔热的最根本原因。为了表征红外隐身效果，使用热像仪拍摄了加热台上气凝胶的红外图像，并记录了温度-时间曲线，和热导率的结果互相印证，碳纳米管的引入对红外隐身效果有一定的负面效果但是影响有限。
图5：GAC气凝胶的反射损耗图。
从反射损耗图中可以看到，碳纳米管的引入有效的提升了气凝胶的电磁波吸收性能，GAC-2的最小反射损耗在3.1mm处达到了-52.65dB，在3.3mm处带宽达到了7.96GHz。
图6：GAC气凝胶的电磁参数、阻抗匹配及吸波机理图。
进一步分析了气凝胶的电磁参数和阻抗匹配，只有当衰减性能和阻抗匹配平衡时，才能实现最佳EMA性能。图6l将类似气凝胶的隔热和吸波性能与之对比，GAC气凝胶具有更佳的综合性能，在雷达红外隐身领域拥有一定的应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.04.028
人物简介：
于美杰，山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，山东省复合材料学会理事。主要从事高性能碳纤维和特种碳纤维的制备与应用，低红外辐射材料和电磁功能材料的设计、制备与应用。先后主持承担和参与国家自然科学基金、教育部预研项目、山东省重点研发（重大创新工程）项目、山东省自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等30余项。发表学术论文80余篇，获发明专利10余项。
