随着信息技术的飞速发展和智能电子设备的普及，电磁辐射对人类健康和环境带来的潜在风险日益受到关注。开发高效的电磁干扰屏蔽材料是应对电磁污染、降低辐射风险的关键手段。聚合物基电磁干扰屏蔽复合材料具有轻质、易加工、耐腐蚀等优势，在航空航天等高端领域展现出比传统金属屏蔽材料更大的应用潜力（图1）。然而，面对日益复杂的电磁环境和多样化的防护需求，现有材料仍面临填料利用率低、导电网络构筑效率不高、电磁响应可调性不足等瓶颈。目前基于机械应变重构导电网络的动态响应策略，虽然能够实现一定程度的可编程屏蔽，但存在调节范围窄、稳定性不足和实际应用受限等问题。因此配资股票交易网站，亟需开发一种兼具高效屏蔽与智能动态响应功能的新一代电磁干扰屏蔽材料。
针对上述挑战，西北工业大学顾军渭教授、张雅莉副教授团队提出了一种电/磁场协同调控策略。通过控制外部场方向，该策略能够精确调控还原氧化和镍纳米线之间的排列角度，成功制备出具有三维有序网络的rGO@NiNWs/聚酰亚胺气凝胶。基于这一设计，气凝胶通过简单的物理旋转即可实现可逆的、宽范围的电磁干扰屏蔽性能调节，具备可靠的“开/关”切换能力。有序结构同时优化了填料的互连效率和界面极化效应。当rGO@NiNWs含量为80 wt.%且两相夹角为90°时，气凝胶在千兆赫兹和太赫兹波段展现出优异的超宽带电磁干扰屏蔽性能，太赫兹波段平均屏蔽效能达85 dB，并在极端环境下具有良好的稳定性。相关论文以“Multi-Field Synergy for Orchestrating Filler Angles in Polyimide Aerogels with Switchable Electromagnetic Interference Shielding”为题，发表在Advanced Materials上。
填料空间构型设计：蒙特卡洛模拟揭示最佳角度
研究团队首先通过蒙特卡洛方法模拟了不同几何形态填料的逾渗阈值（图1a）。模拟结果表明，当一维线性填料与二维片状填料之间的夹角增大时，相同质量分数下填料间的接触点数量显著增加。当填料间夹角达到90°时，接触点最为密集，能够以最低的填料含量实现逾渗阈值，从而构筑高效的3D导电网络，相应的逾渗概率曲线进一步验证了这一结论（图1a'）。基于这一理论指导，研究者采用改进的Hummer法制备氧化石墨烯，并通过静电自组装与镍纳米线复合，再经热还原得到rGO@NiNWs异质结构填料。随后，在电场和磁场的协同调控下进行冷冻，结合冷冻干燥和热酰亚胺化工艺，成功制备了具有长程有序结构的rGO@NiNWs/聚酰亚胺气凝胶（图1b-d）。在这一过程中，导电的rGO和磁性的NiNWs分别沿电场和磁场方向定向排列。通过调节两个场之间的夹角，可以精确设计rGO与NiNWs的空间取向。不同夹角下制备的气凝胶呈现出差异显著的微观结构（图1e）。当电场与磁场夹角为0°时，二者沿同一轴排列，气凝胶在平行于外场的Y-Z平面形成有序多孔结构，而在垂直的X-Y平面呈现无序结构；当夹角为90°时，rGO沿Z轴、NiNWs沿X轴排列，气凝胶在X-Y和Y-Z两个方向均形成长程有序多孔结构。三维共聚焦图像进一步展示了气凝胶内部填料的大面积均匀定向排列（图1f）。
图1 (a) 蒙特卡洛模拟得到的填料分布模拟图以及(a')相应的逾渗概率曲线。 (b-d) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的制备流程示意图。 (e) rGO@NiNWs-0°/PI、rGO@NiNWs-30°/PI、rGO@NiNWs-60°/PI和rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的扫描电镜图像。 (f) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的三维共聚焦图像。
微观结构表征：外场驱动填料定向排列
扫描电镜图像显示，溶剂热还原法制备的镍纳米线具有高长径比和均匀的直径分布（图2a）。经十六烷基三甲基溴化铵改性的镍纳米线与氧化石墨烯通过静电自组装形成紧密结合的rGO@NiNWs异质结构（图2b）。透射电镜图像直接揭示了rGO与NiNWs之间紧密的界面结合（图2c）。能谱分析面分布图确认了C、O、Ni元素在异质结构中的均匀分布（图2d）。对比不同气凝胶的微观形貌，rGO@NiNWs-0°/PI气凝胶在X-Y和Y-Z方向呈现不同的孔隙结构（图2e-e'），其微米CT三维重构显示了单向有序的微孔结构（图2f-f'）；而rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在两个方向均展现出长程有序结构（图2g-g'），三维重构进一步证实了双向有序微孔结构的形成（图2h-h'）。偏光显微镜图像清晰显示，在磁场作用下，NiNWs能够克服聚合物前驱体溶液的旋转阻力，沿磁场方向实现有序排列（图2i）。X射线衍射图谱显示，rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在26.4°附近对应rGO（002）晶面的衍射峰强度显著增强、峰形变锐，表明电场驱动rGO层形成更有序的垂直排列（图2j）。广角X射线散射分析表明，经电场调控后，rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在Y-Z平面的方位角分布半峰宽从187.36显著收窄至84.15，二维广角X射线散射图也直观显示了这一变化（图2k）。小角X射线散射同样观察到半峰宽收窄现象，证实了有序结构的形成（图2l）。这些结果证实，外场能够驱动填料的定向排列，进而诱导聚合物分子链的协同排列，最终构筑有序孔隙结构。
图2 (a) NiNWs和(b) rGO@NiNWs异质结构填料的扫描电镜图像。 (c) rGO@NiNWs的透射电镜图像。 (d) rGO@NiNWs的扫描电镜图像及对应的C、O、Ni元素的能谱分析面分布图。 (e-e') rGO@NiNWs-0°/PI气凝胶和(g-g') rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的扫描电镜图像。 (f-f') rGO@NiNWs-0°/PI气凝胶和(h-h') rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的微米CT三维重构孔隙微观结构。 (i) 在磁场存在下PAA溶液中NiNWs的偏光显微镜图像。 (j) PI气凝胶、rGO@NiNWs/PI气凝胶和rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的X射线衍射谱图。 (k) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶和rGO@NiNWs/PI气凝胶在Y-Z平面的广角X射线散射模式方位角图及相应的二维广角X射线散射图。 (l) rGO@NiNWs-90°/PI和rGO@NiNWs/PI气凝胶在Y-Z平面小角X射线散射模式方位角图及相应的二维小角X射线散射图。
电磁屏蔽性能优化：90°夹角实现82.6%性能提升
rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的电导率随rGO@NiNWs含量增加而显著提高（图3a），相应的电磁干扰屏蔽总效能也随之逐渐增加（图3b）。当填料夹角从0°增大到90°时，rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的电磁干扰屏蔽总效能达到42 dB，相比0°样品的23 dB提升了82.6%（图3c）。有限元模拟得到的电磁干扰屏蔽总效能变化趋势与实验结果高度吻合（图3c'）。电磁参数测试表明，随rGO与NiNWs夹角增大，复合材料的介电常数实部和虚部均显著增加（图3d）。通过Cole-Cole模型对rGO@NiNWs-90°的介电常数进行拟合，发现该模型能很好地描述材料的介电弛豫行为（图3e）。将介电常数虚部分解为导电损耗和极化损耗后发现，二者均随夹角增大而显著增强，且极化损耗的占比也在不断提高（图3f-f'）。Cole-Cole模型拟合得到的导电损耗和极化损耗与实验结果表现出良好的一致性（图3e）。有限元模拟的可视化结果显示，当rGO与NiNWs夹角从0°增大到90°时，气凝胶周围的电场强度逐渐减弱，其中rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶周围的电场强度最低（图3g），能量密度分布也最低（图3h）。当电磁波入射到rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶表面时，高电导率导致严重的阻抗失配，大部分电磁波在表面被反射；穿透进入气凝胶的电磁波在多孔结构中经历多次反射和散射，同时通过导电rGO的欧姆损耗、磁性NiNWs的磁损耗以及异质界面的界面极化损耗被进一步耗散，最终只有极少部分电磁波透射通过（图3i）。与其他已报道的电磁干扰屏蔽材料相比，rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在较低密度下实现了优异的屏蔽效能（图3j）。
图3 (a) 不同rGO@NiNWs质量分数的rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的电导率。(b) 电磁干扰屏蔽总效能。(c) rGO@NiNWs-0°/PI、rGO@NiNWs-30°/PI、rGO@NiNWs-60°/PI和rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的实验测得电磁干扰屏蔽总效能和(c')模拟电磁干扰屏蔽总效能。(d) rGO@NiNWs-0°、30°、60°和90°的介电常数实部和虚部。(e) 采用Cole-Cole模型拟合得到的rGO@NiNWs-90°介电常数的实部和虚部拟合曲线。(f) rGO@NiNWs-0°、30°、60°和90°的导电损耗、极化损耗以及它们与总损耗的比值。(e) rGO@NiNWs-90°的介电常数实部和虚部的Cole-Cole模型拟合曲线。(g) rGO@NiNWs-0°/PI、30°/PI、60°/PI和90°/PI气凝胶（从左至右）的二维电场强度有限元分析和(h)能量密度有限元分析。(i) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的电磁干扰屏蔽机制示意图。(j) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶与已报道电磁干扰屏蔽材料的电磁干扰屏蔽总效能与电磁干扰屏蔽比效能的对比。
智能响应特性：物理旋转实现屏蔽“开/关”切换
针对航天等复杂电磁环境对智能响应材料的需求，研究团队利用气凝胶内部导电填料沿电场方向高度定向排列的特点，通过简单的物理旋转实现智能电磁响应（图4a-b）。四探针法测试表明，气凝胶在不同旋转角度下呈现各向异性的电导率（图4c）。当定向rGO网络与电场方向平行（0°）时，电磁干扰屏蔽总效能达到最大值42 dB；随着夹角增大，屏蔽效能逐渐降低；当夹角达到90°时，屏蔽效能降至18 dB，低于20 dB的常用屏蔽阈值，气凝胶进入“透波”状态（图4d-e）。有限元模拟结果与实验高度吻合（图4e'）。远场辐射模拟显示，当rGO与电场方向一致（0°）时，气凝胶表面区域呈现较深的米色，表明该角度下具有更强的电磁损耗能力；随着夹角增大，能量损耗密度逐渐降低（图4f）。能量密度分布模拟进一步证实，当夹角为0°时，透射过气凝胶的电磁波能量密度最低；随着夹角增大，透射能量密度逐渐升高（图4g）。在实际应用中，将气凝胶覆盖于计算机CPU表面，无屏蔽时设备周围电场辐射强度为306 V/m；当气凝胶中rGO取向与交变电场垂直（90°）时，辐射强度降至162 V/m；旋转气凝胶使rGO取向与电场平行（0°）时，辐射强度进一步降至21 V/m（图4h）。经过多次“开/关”循环测试，气凝胶的屏蔽性能保持稳定，展现出优异的耐久性和可逆性（图4i）。
图4 (a) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在航天器中应用的示意图。 (b) 旋转rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶以改变其相对于入射电磁波电场方向取向的示意图。 (c) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同rGO取向方向与四探针夹角下的电导率。 (d) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同rGO取向方向与入射电磁波交变电场夹角下的电磁干扰屏蔽总效能。 (e) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同rGO取向方向与入射电磁波交变电场夹角下的实验测得电磁干扰屏蔽效能和(e')模拟电磁干扰屏蔽效能。 (f) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同rGO取向方向与入射电磁波交变电场夹角下的三维能量损耗密度有限元分析和(g)能量密度有限元分析。 (h) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在相对于电场0°和90°角度应用时电子设备芯片的示意图及电场辐射值。 (i) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶电磁干扰屏蔽“关”和“开”状态的循环稳定性测试。
极端环境稳定性与超宽带屏蔽性能
气凝胶在液氮、高温、火焰和高湿度等极端环境下均表现出良好的稳定性和耐久性（图5a）。经过多次压缩循环后，屏蔽效能基本保持不变（图5b）；在室温和200°C条件下，屏蔽效能也维持稳定（图5c）。在C、X、Ku、K、Ka波段均表现出优异的宽频带屏蔽性能（图5d）。太赫兹波段测试表明，空气腔、PI气凝胶和不同厚度rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的太赫兹时域信号和振幅对比显示，随着气凝胶厚度增加，透射信号显著减弱（图5e-f）。当气凝胶厚度为500 μm时，透射率几乎为零（图5g），平均屏蔽效能达到85 dB（图5h）。太赫兹成像热图进一步直观地展示了气凝胶对太赫兹波的高效屏蔽能力（图5i）。
图5 (a) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同极端环境下的耐久性和稳定性。 (b) 不同压缩循环次数和(c)不同高温下rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的电磁干扰屏蔽总效能。 (d) rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在C、X、Ku、K和Ka波段的电磁干扰屏蔽效能。 (e) 透射模式下的太赫兹时域信号和(f)空气腔、PI气凝胶及不同厚度rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶的振幅。 (g) PI气凝胶和rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶在不同厚度下的透射率和(h)电磁干扰屏蔽总效能。 (i) 透射模式的太赫兹成像热图。
总结与展望
本研究开发了一种电/磁场协同定向技术，结合冷冻干燥和热处理工艺，成功制备了具有三维定向网络的rGO@NiNWs-90°/PI气凝胶。通过调控电场和磁场方向，实现了对导电填料rGO与磁性填料NiNWs之间夹角的精确控制，从而优化了3D导电网络的构筑并增强了异质界面极化效应。得益于多场协同对填料取向的精确调控，气凝胶仅通过物理旋转即可实现稳定而优异的智能电磁响应，可适应复杂多变的电磁环境应用。有限元分析被用于阐明rGO@NiNWs微观结构对电磁干扰屏蔽性能的影响及其智能电磁响应机理。此外，该气凝胶还展现出优异的抗菌性能（抗菌率达99.99%）和良好的生物相容性。这种集智能电磁响应、高效抗菌能力和生物相容性于一体的轻质复合气凝胶，在未来航天高机动平台和可穿戴电磁防护领域展现出广阔的应用前景。
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