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微波吸收因其在电磁干扰屏蔽 (EMI)、隐身技术和无线通信等多个领域的重要应用而备受关注。随着电子设备和无线通信系统的快速发展，电磁波的控制和管理变得至关重要。然而，随着军事装备和设施在各种复杂环境中的部署，特别是在高湿度、高温差和长时间使用的条件下，材料的抗菌性能也变得至关重要。因此，开发兼具微波吸收和抗菌性能的材料，对提高军事装备的可靠性和安全性至关重要。
近日，华南理工大学王林格教授团队及合作者在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Dielectric Synergistic Gradient Metamaterials Enable Exceptional Ultra–wideband Microwave Absorption and Antibacterial Properties”。研究者通过静电纺丝、原位氧化聚合与浸涂工艺，制备出具有异质结构的PAN@PPy@Ti3C2Tx@GO (PPTG) 复合薄膜，实现了出色的电磁波吸收和抗菌性。当填充量仅为20 wt%时，PPTG薄膜就表现出超宽的频带，最小反射损耗值 (RLmin) 为-49.98 dB (2.2 mm, 16.72 GHz) ，最大有效吸收带宽 (EAB) 高达8.0 GHz (2.5 mm)。
此外，轻质PPTG复合薄膜具有优异的雷达隐身效果，PPTG薄膜的雷达散射截面 (RCS) 最大减少值可以达到25.72 dB•m2。优异的微波吸收性能归因于源自于四分之一波长、极化、多重反射和散射、阻抗匹配、超材料特性、准天线、导电损耗和磁损耗。此外，所得PPTG复合薄膜显示出较好的抗菌性。PPTG薄膜在军事隐身装备和民用电子产品领域有着巨大的应用潜力。
图1：PPTG薄膜的制备示意图。
图1阐述了多重异质PPTG复合薄膜的制备过程。首先，通过原位氧化聚合在PAN纤维表面生长吡咯，同时PPy 和 PAN 纤维之间的静电和共价相互作用提高了薄膜的整体导电性，容易形成导电网络和微电流。其次， 通过简单的浸涂工艺得到异质PPT薄膜。最后，MXene 的表面富含官能团 (-OH、-O、-F)，通过氢键和极性作用将阻抗匹配层GO吸附到PPT薄膜表面，形成多重异质PPTG薄膜。其中，多层异质结构有利于改善阻抗匹配，丰富界面极化。PAN纤维膜作为基底及导电网络形成微电流，有利于产生超材料特性和导电损耗。GO和MXene表面丰富的官能团极大地增强了极化损耗。同时，电磁波可以在PAN纳米纤维之间反射而被衰减，PPy和MXene可以增加纤维的导电性产生导电损耗，GO可以降低薄膜的介电常数，获得良好的阻抗匹配。
图2：PPTG薄膜的微波吸收性能。
图2a-f是PPTG复合薄膜的3D和2D反射损耗图。其中，当PPTG-1薄膜在厚度为3.2 mm时，RLmin值为-45.83 dB，在2.7 mm时EAB达到6.96 GHz，覆盖了一部分X波段和全部Ku波段 (图2a, d)；PPTG-2薄膜的RLmin值在厚度为2.2 mm时达到-49.98 dB，EAB在2.5 mm时高达8.0 GHz，覆盖了整个Ku波段和一半的X波段 (图2b, e)；PPTG-3复合薄膜的RLmin值在频率为7.12 GHz且厚度为5.0 mm时达到-21.22 dB，在2.9 mm时EAB为6.96 GHz (图2c, f)。而PAN纳米纤维膜表现出弱的吸波性能，在填充量为20 wt%时RLmin为-7.68 dB，最大 EAB为0 GHz。弱的吸波性能主要归因于极低的电导率和阻抗失配。
此外，研究了其它复合薄膜在20 wt%填充量下的吸波性能。其中，PAN@PPy纳米纤维膜的RLmin为-13.30 dB，最大EAB为5.04 GHz；PPT薄膜在厚度为3.0 mm，频率为14.40 GHz时RLmin可以达到-39.46 dB，在厚度为 3.8 mm 时具有 6.88 GHz 的EAB；PTG薄膜在厚度为2.0 mm时可以达到5.20 GHz的EAB，在4.32 GHz厚度为4.9 mm时，RLmin可达− 32.87 dB；PPG复合薄膜在15.60 GHz厚度为2.3 mm时，RLmin为− 26.24 dB，在厚度为2.6 mm时可以达到6.88 GHz的EAB。以上结果表明，PPTG复合薄膜具有优异的吸波性能。
图3：PPTG薄膜的雷达隐身效果。
从图中可以看出，入射角在-60°到60°时，PPTG /PEC板相比纯 PEC 板的RCS 值显著降低，并伴有若干波动。此外，计算了不同方位角下覆盖PPTG样品的 PEC平板的RCS减小值。令人开心的是，当入射角为15°时，PPTG-2/PEC吸波剂的RCS达到最大降低值25.72 dB•m2。更值得注意的是，厚度为 2.0 mm 的 PPTG 样品几乎在整个探测角度范围内的 RCS 值低于 -10 dB•m2，实现了多角度覆盖。 也就是说，在界面极化损耗、电导损耗和偶极极化损耗协同作用下产生超材料特性，入射微波能被有效耗散，雷达散射强度也显著降低。因此，PPTG薄膜具有良好的雷达隐身效果，有卓越的实际应用价值。
图4：PPTG薄膜的抗菌性能。
此外，制备的复合膜具有良好的抗菌性能，一方面尖锐的纳米片直接破坏了细菌膜，另一方面光照产生的自由基攻击细菌膜，破坏细菌结构，最终导致细菌死亡。因此，轻质PPTG复合薄膜具有卓越的微波吸收性能，在航空航天，无线通信，雷达系统，军事装备和信息安全等众多领域具有潜在的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119813
人物简介
王林格，华南理工大学前沿软物质学院教授，博士生导师。主要从事“软物质及杂化材料”领域的研究工作，围绕软物质功能和智能材料的分子设计与合成、多尺度结构调控、结构与性能之间关系进行基础研究及应用工程化研究。开展的多学科交叉研究方向：嵌段共聚物及自组装结构、高分子基功能与智能纤维、有机/无机杂化材料、相变储能材料、功能膜材料、聚合物纳米囊泡、组织工程支架、药物递送体系、抗菌材料及表界面、生物高分子材料、纤维素材料、高分子液晶、高分子基光学膜材料、小角X光散射等。系列工作发表在Adv Mater、Angew Chem Inter Ed、Mater Horiz、Appl Energy、Chem Eng J、Macromolecules等材料及化学领域主流期刊上；合著出版了英文书籍4部；获中国专利授权30余件、PCT国际申请8件。
于倩倩，华南理工大学前沿软物质学院副教授，博士生导师。研究方向：纳米功能材料的制备及其在生物医药领域的应用。包括高分子纤维材料、高分子囊泡、纳米复合材料的合成、性能调控、及功能化修饰，研究其在多模态生物影像、药物输送和疾病诊疗等方面的应用。至今在 Adv.Mater, Adv.Funct. Mater, Biomaterials等国际著名期刊上发表论文 60余篇，申请中国发明专利37项、授权19项，参与出版著作2部。
刘平安，华南理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，广东省材料学会会员。研究方向：电子材料与元器件、高性能无机材料及无机-有机复合材料。发表论文80余篇（其中30余篇被SCI、EI收录），已申请受理和授权发明专利10余项。化工出版社出版专著一本《X射线衍射分析原理与应用》，参编专著两本。
王红，华南理工大学2024年入站材料科学与工程专业博士后，硕博期间从事有机无机化学合成和生物应用的研究，共同发表JCR一区SCI论文7篇，专利1件，参与国家自然科学基金重点项目1项，参与国家面上项目1项。
第一作者：杨鑫，华南理工大学前沿软物资学院硕士研究生，在校期间从事微波吸收复合材料的研究，以第一作者在Carbon、ACS Applied Electronic Materials上发表两篇SCI论文。
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