研究背景

有源相控阵雷达 T/R 组件、散热基底、天线罩之间存在大量不规则异形缝隙，是电磁泄漏与通道串扰主要通道；传统吸波材料（薄膜、涂层、气凝胶、常规水凝胶）依靠预制外形裁切成型，无法贴合 3D 凹凸异形缝隙，填充后残留空隙，不能自主形变适配，电磁密封效果差；现有模铸、光刻、3D 打印等预制成型工艺效率低、装配易破损，缺少可自主形变的刺激响应型吸波材料。

针对上述难题，东华大学斯阳教授团队基于掺混弹性无机纤维与导电碳纳米管的形状记忆型吸波水凝胶，提出一种依托压缩-脱水定型/复水-形状复原可逆循环的自主形变方案。该材料以弹性纤维骨架搭配动态氢键的断裂-重构作用机制，显著提升水凝胶的形状恢复能力。所制备的NFHsc复合材料兼具多重优异性能：可在80%压缩形变后完全回弹、具备形状记忆效应与可注射特性，同时拥有优异吸波性能，最低反射损耗达−45 dB，有效吸收带宽最高可达 7.23 GHz。该智能自适应吸波材料的研制，为多场景下多功能自适应水凝胶的研发提供了全新思路。相关研究内容以“Water-Triggered Shape-Adaptive Superelastic Hydrogels for Electromagnetic Sealing”为题目，发表在期刊《Small》上。

图 1 NFHsc 的制备流程与微观结构。

NFHsc 的结构表征

SiO₂纳米纤维制备：首先采用静电纺丝制备柔性SiO₂纳米纤维，后经热处理纤维平均直径为 287 nm。

前驱气凝胶 (NFAsc) 制备：SiO₂纳米纤维与海藻酸钠共混均质，凭借海藻酸钠链段羟基、羧基和SiO₂表面硅羟基形成氢键，实现纤维均匀分散；SiO₂/海藻酸钠体系混匀后再添加碳纳米管，优化碳管分散效果。将混合溶液注入铜环模具，液氮速冻、冷冻干燥制得 SA/SiO₂/CNT 纳米纤维气凝胶 NFAsc；

离子交联成水凝胶：气凝胶浸入Al³⁺水溶液，利用海藻酸钠羟基、羧基与铝离子发生金属-配体配位交联，最终得到离子交联型NFHsc水凝胶。

材料具备多级结构：微米级胞体、微米级孔壁以及百纳米级单根纤维；因冰晶分相成型，NFHsc 截面呈现层状多孔结构：制备气凝胶时，低温环境促使溶剂水凝结成冰晶，冰晶生长将纤维、海藻酸钠与碳纳米管排挤至冰晶间隙，冻干去除冰晶后留下三维多孔骨架。

图2NFHsc 的形状自适应性能。

NFHsc 形状自适应性能

NFHsc可塑性优异，可塑造成圆柱、心形、花朵、三棱柱、立方体等复杂外形，即便固相占比仅1.31 wt%、含水量高达 98.69 wt% 仍可维持完整三维骨架结构；压缩脱水-重新吸水后，材料含水率基本保持恒定。

NFHsc 结构以刚性SiO₂纳米纤维为骨架核心，海藻酸钠通过氢键包覆纤维与碳纳米管形成凝胶层，宏观各向同性、微观取向多孔，刚弹协同赋予材料优异抗形变回复能力。

形状记忆试验：NFHsc 可压缩揉搓成团，脱水后含水率89.74%，氢键锁定压缩临时形态，受压时内部孔道形变但孔壁不坍塌；遇水后毛细吸水使孔道重新舒展，辅以纳米纤维骨架回弹实现快速复原。预成型为A/B/C字母的试样接触水分后12 s内完全恢复原始形状。

图 3 NFHsc 的力学性能。

NFHsc 力学性能

力学参数是复合材料实用化的关键指标。在水环境下保持水合状态，对不同SiO₂/碳纳米管配比的 NFHsc 开展压缩测试，优选 NFHsc-1 系统探究。区别于常规脆性水凝胶，NFHsc 可承受 80% 压缩并完全回弹。压缩应力 - 应变曲线分为三阶段：应变＜10% 为线弹性区，杨氏模量 23 kPa；10%＜应变＜70% 为应力平台区；应变＞70% 进入致密化阶段、应力急剧上升；80% 压缩时最大应力 38 kPa，性能优于同等高含水率水凝胶。

50%压缩应变下开展1000 次循环疲劳压缩，样品仅产生微量塑性形变。选取多组循环数据统计：杨氏模量、峰值应力、能量损耗系数经千次循环后剩余初始性能 60% 以上，结构稳定性优异。

图 4 NFHsc 的吸波性能。

NFHsc 吸波性能

最低反射损耗 RLₘᵢₙ可达−45.93 dB，＞99% 电磁波被吸收；最优样品 NFHsc-3 在 5 mm 厚度下有效吸收带宽 EAB=7.23 GHz，4 mm 厚度全覆盖 Ku 波段 (12–18 GHz)；3~5 mm 厚度（雷达缝隙常规厚度）吸收率＞90%（RL＜−10 dB）。

CNT 含量调控性能：随 CNT 提升介电损耗增强，但过量碳管导电过高恶化阻抗匹配，因此 EAB 非单调增大，SiO₂:CNT=1:1（NFHsc-3）实现阻抗匹配与衰减系数最优平衡。

图 5 NFHsc 的吸波性能与作用机理。

吸波机理总结

多级多孔结构优化阻抗匹配，电磁波大量渗入材料内部；水分子极化弛豫消耗部分电磁能，剩余电磁波在微观界面多次散射、延长传输路径；

SiO₂、CNT、基体形成海量异质界面，交变电场下空间电荷聚集诱发界面极化，材料缺陷与极性基团产生偶极极化；

碳纳米管构筑导电网络，依靠电子跃迁与隧穿产生电导损耗，协同多重损耗实现高效电磁波衰减。

结论

综上，本研究以环保型海藻酸钠、静电纺二氧化硅纳米纤维与导电碳纳米管（CNT）为原料，制备了具备水驱动形状自适应能力与微波吸收性能的纳米纤维复合水凝胶 NFHsc，并系统探究了材料微观形貌、力学性能及吸波特性。

本研究首次将形状自适应功能整合到吸波材料体系中。制备得到的 NFHsc 综合性能突出：承受 80% 压缩形变后可完全回弹、具备水触发形状记忆特性与优异微波吸收性能；材料经压缩脱水定型后可填入各类不规则狭小空腔，遇水 12 s 内快速恢复原有体积形貌，最低反射损耗可达−45 dB，有效吸收带宽 7.23 GHz。该研究成果为雷达 T/R 组件等精密电子器件异形缝隙的定制化填充与电磁密封提供了全新解决方案。

凭借上述优异性能，NFHsc 在柔性电子封装、精密电磁屏蔽、隐身涂层、智能传感器以及生物医用等诸多领域均具备巨大应用潜力。

原文链接： https://doi.org/10.1002/smll.73881