科学网—北航鹿现永&西工大顾军渭等：仿竹子学梯度结构，打造GHz–THz宽频智能电磁皮肤
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2026-5-19 11:50
| 系统分类: 论文交流
Bioinspired Layered-Gradient Nanocomposites for Intelligent Electromagnetic Skins with GHz-THz Wave Absorption, Shielding, and Solvent-Driven Actuation
Xianyuan Liu#, Yang Zhao#, Yali Zhang, Xuechun Cui, Ying Xue, Xianyong Lu*, Junwei Gu*
Nano-Micro Letters (2026)18:344
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02202-y
本文亮点
1. 仿竹梯度，一膜多能：受天然竹材径向梯度结构启发，构筑了具有贯穿厚度方向梯度分布的Al-Fe₃O₄/芳纶纳米纤维(ANFs)/PEDOT纳米复合薄膜，并通过可放大的真空辅助过滤工艺实现制备。
2. 宽频衰减，高效隐身：梯度调控的磁-介电耦合与逾渗导电网络实现了极佳的阻抗匹配，该薄膜在千兆赫兹(GHz)和太赫兹(THz)频段均实现了强烈的电磁波衰减，具备出色的反射损耗(-56.6 dB)、宽频吸收(3.5 GHz)、高电磁屏蔽效能(GHz频段42.0 dB，THz频段57.8 dB)以及显著降低的雷达散射截面。
3. 智能驱动，多维集成：除了优异的电磁调控性能，该梯度架构还使复合薄膜具备可编程的、基于乙醇驱动的各向异性形变能力，并展现出优异的热稳定性和力学强韧性。
研究背景
随着航空航天、电子通信(如6G)、人工智能及可穿戴技术的迅猛发展，电子设备的大规模普及使 电磁污染 问题日益严峻。电磁波不仅干扰精密仪器的正常运行、带来信息泄露风险，更引发了人们对人体健康的深切担忧。因此，亟需开发一种高性能材料，能够在千兆赫兹(GHz)至太赫兹(THz)频段内同时实现高效的电磁干扰(EMI)屏蔽与电磁波(EMW)吸收。然而，高频电磁波对外部干扰极为敏感，易造成信号衰减甚至危及通信安全。在此背景下，如何在动态恶劣环境中，开发出集高效电磁吸收、宽频屏蔽与智能响应功能于一体的柔性电磁皮肤，已成为当前亟待突破的关键瓶颈。
内容简介
针对新一代智能电磁皮肤对GHz-THz波段电磁波吸收、电磁屏蔽及智能驱动等多功能集成提出的迫切需求， 北京航空航天大学鹿现永课题组与西北工业大学顾军渭团队 跳出传统单一均质材料的设计思路，从自然界竹子中汲取结构灵感，发展了一种基于可扩展真空抽滤工艺制备的仿生层状梯度系统。该研究巧妙地将具有锯齿边缘的Al-Fe₃O₄纳米片、高比表面积与优异机械强度的芳纶纳米纤维(ANFs)以及导电聚合物聚( 3,4-乙烯二氧噻吩 )(PEDOT)精准组装成非对称结构。
该厚度方向上的单调成分梯度设计，有效实现了定制化的阻抗分布与强烈的各向异性。在低PEDOT含量下，薄膜可实现完美的微波吸收，X波段最小反射损耗低至-56.6 dB。随着PEDOT含量的增加，逾渗导电网络的形成赋予薄膜快速的焦耳热效应(20 V下可达233°C)及优异的电磁屏蔽效能(GHz波段达42.0 dB，THz波段达57.8 dB)。此外，得益于梯度架构带来的异质膨胀特性，该薄膜还展现出乙醇触发的各向异性智能驱动能力。这项研究为集成磁-介电耦合、导电网络调控与刺激响应驱动的智能电磁皮肤，提供了一个可扩展的通用平台。
图文导读
I 汲取自然灵感：竹仿生层状梯度架构的构建
天然竹子沿径向呈现出梯度分布的承载纤维素网络-外侧致密、内侧疏松，从而实现刚度与韧性的优异平衡。受此启发，研究团队首先通过去质子化工艺制备稳定的单分散芳纶纳米纤维(ANFs)；同时，借助水热反应及可控还原工艺，合成了具有独特锯齿边缘的超薄Al-Fe₃O₄磁性纳米片，并对PEDOT:PSS进行二次掺杂及脱PSS处理，以提升其导电性。随后，采用真空辅助抽滤技术，使不同密度的组分在抽滤过程中发生分离与截留：密度较大的Al-Fe₃O₄纳米片纳米片向滤膜底部富集，从而在厚度方向上自发形成类似竹子的高低浓度梯度分布。这种独特架构中存在两种相互作用模式：内部的开孔网络锚定效应以及底部的致密层限制效应，这为薄膜带来了卓越的机械稳定性(拉伸强度33.9 MPa)、良好的结构柔性以及空间异质性。
图1. Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT仿生梯度复合薄膜合成示意图。
II 仿生梯度搭起来：从表面到截面全面验证
Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT仿生梯度复合薄膜的微观结构如图2所示。经真空辅助过滤组装后，ANFs重构为三维逾渗纳米纤维网络，作为复合材料的骨架。其中，Al-Fe₃O₄纳米片凭借其独特的锯齿边缘形貌，与Al掺杂协同作用，有效调控了电磁参数。截面SEM图像及元素面分布分析清晰揭示了厚度方向上的成分梯度分布：Al-Fe₃O₄纳米片和PEDOT的含量自底部向上呈逐渐递减趋势。在ANFs骨架内部，Al-Fe₃O₄纳米片呈现两种特征嵌入模式：均匀分散于多孔网络中的“开放锚定”模式和致密层内紧密堆叠的“限域包裹”模式。两种模式的共存显著增强了界面极化效应与多重散射能力。此外，薄膜顶面与底面形貌差异明显-底面富集更多Al-Fe₃O₄纳米片，进一步证实了梯度结构及其各向异性特征。
图2. (a) Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT柔韧薄膜光学照片；(b) Al-Fe₃O₄锯齿边缘形貌SEM；(c) ANFs的TEM图像；(d) 两种嵌入模式示意图；(e) 截面SEM及(e′)局部放大；(f) 底层内部高倍SEM；(g) 截面元素面分布；(h, k) 顶面与底面光学照片；(i, j) 顶面与底面SEM图像。
为进一步验证厚度方向的梯度分布，对复合薄膜进行了分层切片分析(图3)。从顶面到底面依次切取五个中间层，SEM图像清晰显示Al-Fe₃O₄纳米片的含量逐层递增。定量分析进一步确认了这一梯度结构的成功构筑。与此同时，PEDOT同样沿厚度方向呈现梯度分布，并与磁性骨架协同发挥作用：在低含量区域，PEDOT有助于优化阻抗匹配、增强介电损耗；在高含量区域，则显著提升电导率，增强电磁干扰(EMI)屏蔽效能。Al-Fe₃O₄纳米片、ANFs骨架与梯度分布的PEDOT三者协同，共同构建了一种结构一体化、高性能、多功能复合薄膜。
图3. Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT复合薄膜的厚度方向梯度SEM图。
III 界面“不对称”的魅力：溶剂触发的智能各向异性驱动行为
如图4所示，梯度形态还赋予了薄膜独特的方向选择性驱动能力。当暴露于乙醇蒸汽中时，薄膜上下表面固有的成分和形态不对称性导致了其对溶剂的吸收动力学存在差异。富含Al-Fe₃O₄纳米片且粗糙度较高的底面有利于乙醇快速渗透，引发较大体积膨胀；而顶部致密的ANFs层则阻碍溶剂扩散，形成约束。初始平整薄膜在1.5秒内弯曲角可达238°，完整溶胀-恢复循环在8秒内完成，展现出色的抗疲劳性和优异的刺激响应性。
图4. Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT复合薄膜的乙醇触发各向异性驱动行为。
IV 宽频电磁管理：从微波吸收到雷达隐身的性能跃升
复合薄膜的电磁波吸收与隐身性能如图5所示。Al-Fe₃O₄/ANFs样品在2.4 mm厚度下实现最小反射损耗RLₘᵢₙ为-52.7 dB，有效吸收带宽(EₐB)为3.1 GHz(图5a, b)。引入适量PEDOT后，性能进一步提升：Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT复合薄膜在2.2 mm厚度下RLₘᵢₙ达到-56.6 dB，EₐB拓宽至3.5 GHz(图5d, e)，这得益于PEDOT增加的介电损耗与导电损耗。磁损耗因子始终高于 介电损耗因子 ，表明吸收以磁损耗为主导。但过量的PEDOT会导致逾渗过度和阻抗失配，使反射损耗趋近0 dB，因此精确控制组分含量是实现高效吸收的关键。
为评估实际隐身能力，对涂覆2.5 mm厚复合薄膜的理想导体(PEC)进行了雷达散射截面( RCS )仿真。在11.5 GHz下，涂层PEC的3D散射能量被显著抑制(图5c, f)，其RCS值从裸PEC的12.7 dB·m²降至-18.2 dB·m²。不同入射角下的RCS衰减结果进一步表明，该材料具备宽带、广角隐身特性。
有限元仿真揭示了梯度结构增强电磁耗散的深层机理。在10 GHz电磁波垂直入射条件下，梯度结构薄膜沿厚度方向呈现出磁场与电场的逐级衰减(图5g, h)，极化损耗(图5i)和传导损耗(图5j)显著增强；相比之下，各向同性对照样品表现为边缘局域场分布，电磁波穿透有限，能量耗散较弱(图5k-n)。综上所述，梯度结构实现了电磁波的高效逐级吸收，在先进隐身与电磁防护领域展现出巨大的应用潜力。
图5. Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT复合薄膜的宽频电磁衰减与隐身性能 。
V 跨越GHz与THz：高导电网络赋能的宽频电磁屏蔽
复合薄膜在GHz和THz频段的电磁屏蔽性能如图6所示。随着PEDOT含量的增加，电导率从绝缘态(5.89×10⁻¹¹S/m)跃升至高度导电(975.72 S/m)，形成连续逾渗网络。在GHz频段(图6a-c)，超过逾渗阈值的Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT₂和PEDOT₃薄膜的总屏蔽效能(SEₜ)分别达到23.5 dB和42.0 dB，且以吸收为主(SEₐ分别为14.1 dB和25.4 dB，SEᵣ为9.4 dB和16.7 dB)。在THz频段(图6d-f)，PEDOT₂的平均SEₜ为45.8 dB，PEDOT₃提升至57.8 dB；对应的SEₐ分别为45.3 dB和57.1 dB，而SEᵣ仅为0.5 dB和0.6 dB，表明吸收主导型屏蔽机制。
屏蔽机理如图6g所示：入射电磁波首先在表面发生部分反射，透射部分进入梯度结构内部，在由Al-Fe₃O₄纳米片与ANFs导电网络构成的异质介质中经历多重散射、界面极化(Maxwell-Wagner-Sillars)、磁损耗(涡流损耗、自然共振)以及导电损耗。梯度结构带来的阻抗与电导率空间变化增强了电磁波捕获与多次反射，延长了传播路径。多机制协同作用下，该材料实现了GHz至THz宽频段内高效、吸收主导的电磁屏蔽，显著抑制了二次电磁污染。
图6. Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT复合薄膜的GHz-THz宽频电磁屏蔽性能及机理示意图。
VI 总结
本研究通过可扩展的真空抽滤策略，成功构筑了具有仿生竹状梯度架构的柔性Al-Fe₃O₄/ANFs/PEDOT纳米复合薄膜。该结构工程巧妙地将机械强韧性、宽频(GHz–THz)高效电磁吸收与屏蔽、焦耳热效应以及溶剂触发的智能形变等多重高价值功能集成于同一平台。凭借梯度阻抗剖面设计与多尺度能量耗散机制，该材料不仅实现了对宽频段电磁波的高效逐级吸收与耗散，还借助智能驱动特性拓展了应用场景，为应对未来严苛环境下智能多功能电磁皮肤的研发确立了全新范式。
作者简介
顾军渭
本文通讯作者
西北工业大学 教授
▍ 主要研究 领域
从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究
▍ 主要研究成果
西北工业大学化学与化工学院院长，教授、博导，陕西省杰出青年科学基金获得者，陕西省科技创新团队带头人，工业和信息化部优秀导师，中国复合材料学位优博/陕西省优博指导教师。当选英国皇家化学会Fellow，英国皇家航空学会Fellow，英国材料、矿物与矿业学会Fellow。连续入选科睿唯安全球“高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。现任中国复合材料学会副秘书长、中国复合材料学会人才评价工作委员会主任/导热复合材料分会常务副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室/特种功能与智能高分子材料工信部重点实验室副主任等。主要从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及加工研究。以第一完成人获陕西省自然科学奖一等奖、中国轻工业联合会技术发明奖一等奖、陕西省自然科学奖二等奖等省部级科研奖励5项。获国际聚合物加工学会莫然达-拉姆伯拉成就奖、中国复合材料学会青年科学家奖、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等。主持国家自然科学基金重点项目、技术基础重点项目等省部级及以上项目40余项。以第一和/或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.和Nat. Sci. Rev.等期刊发表SCI论文230余篇。主/参编英文专著4部；授权中国/美国发明专利37件。
▍ Email： nwpugjw@163.com & gjw@nwpu.edu.cn
鹿现永
本文通讯作者
北京航空航天大学 副教授
▍ 主要研究 领域
(1)高性能电磁吸波材料；(2)航空航天用仿生纳米纤维复合材料；(3)耐极端环境高分子复合材料。
▍ 主要研究成果
北京航空航天大学化学学院，副教授，博士生导师，中国化学会和中国复合材料学会高级会员，从事耐极端环境高分子材料的研究。主持并完成国家自然科学基金青年项目、面上项目；北京市自然科学基金面上和多项GF类科研项目等国家级、省部级科研项目。以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.， Nano-Micro Lett.，Sci. Bull.， Nano Res.， Small等发表高水平科研论文30余篇。
▍ Email： xylu@buaa.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nan o-M icro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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