四川大学王玉忠院士、吴刚教授、陈思翀教授AFM：受叶子启发的梯度碳材料，实现雷达-红外兼容隐身

摘要：随着5G通信和电子技术的飞速发展，电磁污染问题日益凸显，对人体健康和精密设备造成潜在威胁。当前，微波吸收材料（MWAMs）的设计多采用复合结构、异质原子掺杂、多孔构建或梯度组合等策略，但仍面临密度高、层间结合力弱、难以同时实现“轻、薄、宽、强”的吸收性能等挑战

随着5G通信和电子技术的飞速发展，电磁污染问题日益凸显，对人体健康和精密设备造成潜在威胁。当前，微波吸收材料（MWAMs）的设计多采用复合结构、异质原子掺杂、多孔构建或梯度组合等策略，但仍面临密度高、层间结合力弱、难以同时实现“轻、薄、宽、强”的吸收性能等挑战。尤其是在军事等领域，亟需开发既能有效吸收雷达波又具备良好隔热性能的兼容隐身材料。

近日，四川大学王玉忠院士、吴刚教授、陈思翀教授合作团队受植物叶片结构的启发，成功开发出一种具有“无序表皮-有序核心”结构的超轻梯度纯碳海绵材料（O-CMS）。该材料通过梯度氧化辅助煅烧策略制备，避免了多层结构的高密度和弱结合问题，实现了超过99.9999%的微波吸收效率，最低反射损耗达-65.3 dB，有效吸收带宽覆盖整个Ku波段（6.62 GHz），并具备优异的热隐身性能，为雷达-红外兼容隐身提供了新材料解决方案。相关论文以“Leaf-Inspired Hierarchical Carbon With “Disordered Skin-Ordered Core” Architecture for Compatible Radar-Infrared Stealth”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Xie Yangyang。

研究人员首先通过对比未经梯度氧化的碳化三聚氰胺甲醛海绵（CMS）与经过不同温度（100°C、150°C、200°C）梯度氧化处理后再碳化的O-CMS系列材料，发现O-CMS-150具有最优的微观结构。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，O-CMS-150保留了原始海绵的三维互联网络结构，并形成了丰富的通孔通道，有利于电磁波的多重反射与散射。透射电子显微镜（TEM）进一步揭示其具有明显的“无序表皮-有序核心”界面结构，表层为无序碳层，内部则为晶格间距略大于石墨碳的有序碳区域，伴有位错和空位缺陷，这些结构特征共同促进了电磁波的进入与耗散。

图1. a) CMS的非梯度结构制备过程与形成机制示意图；b) O-CMSs的梯度结构制备过程与形成机制示意图。 c1–c4) CMS、O-CMS-100、O-CMS-150和O-CMS-200的SEM图像。 d1–d4) CMS、O-CMS-100、O-CMS-150和O-CMS-200的高分辨率TEM图像。

通过氮气吸附-脱附测试发现，O-CMS-150具有最大的比表面积（1191 m²/g）和分级孔结构，进一步增强了阻抗匹配和介电响应。拉曼光谱显示其缺陷程度显著高于CMS，X射线光电子能谱（XPS）分析表明材料中存在C、O、N元素，其中吡啶氮和吡咯氮有助于偶极极化，石墨氮则增强导电损耗。热重-红外联用（TG-IR）分析表明，梯度氧化引入了不同热稳定性的含氧官能团，影响了热解过程中气体的释放行为，进而调控了碳层的有序性和缺陷结构。

图2. a) N₂吸附-脱附等温线；b) 拉曼光谱；c) FTIR光谱；d) C1s、e) N1s和f) O1s的高分辨率XPS谱图；g) MS和h) O-MS-150的TG-IR曲线；i) MS-150和O-MS-150的XPS全谱。

在电磁性能方面，O-CMS-150在5 wt.%的低填充量下表现出极佳的介电损耗和阻抗匹配特性，其阻抗匹配比（|Zin0|）接近1，意味着绝大多数入射电磁波可进入材料内部并被有效衰减。其最小反射损耗为-65.3 dB，有效吸收带宽达6.62 GHz，性能优于多数已报道的碳基吸收材料和梯度吸收器。通过Cole-Cole曲线分析，其损耗机制主要包括偶极极化、界面极化和导电损耗。

图3. a) ε′、b) ε″、c) tanδe的电磁参数曲线；d) CMS和e) O-CMS-150的三维反射损耗图；f) 衰减常数α；g) |Zin/Z0min和EAB对比；i) 与典型梯度吸收器的性能对比。

在雷达隐身性能方面，雷达散射截面（RCS）模拟显示，涂覆O-CMS-150的完美电导体（PEC）板的最大RCS降低值达31.88 dB·m²，显著优于多数同类材料。在红外隐身方面，该材料在80°C加热平台上放置120分钟后，表面温度仍低于40°C，表现出良好的隔热性能，这归因于其低导热系数（32.5 mW·m⁻¹·K⁻¹）和丰富的孔隙结构，能有效抑制热传导和辐射。

图4. a–d) CMS、O-CMS-100、O-CMS-150和O-CMS-200的Cole-Cole曲线；e) 预氧化温度与表面、内部有序度之间的关系；f) 有序度与阻抗匹配和衰减能力的关系；g) O-CMSs的电磁波吸收机制示意图。