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东华大学《Compos. Commun》：基于石墨烯/BC气凝胶的芳纶蜂窝复合材料，用于航空航天及电磁防护

发布时间：2025-07-03

1成果简介

为克服碳基微波吸收气凝胶在力学性能和应用灵活性方面的局限性，本文，东华大学于俊荣教授团队在《Composites Communications》期刊发表名为“Aramid honeycomb composites filled with rGO/BC aerogel for broadband microwave absorption and multifunctional applications”的论文，研究通过定向冻干策略，将还原石墨烯氧化物/细菌纤维素（rGO/BC）气凝胶整合到芳纶蜂窝基底（GCH）的六边形空腔中。该结构利用芳纶框架的卓越压缩强度防止气凝胶结构坍塌，而超轻rGO/BC气凝胶（不同氧化石墨烯（GO）浓度，体积密度<3 kg/m³）在不显著增加质量的情况下赋予多功能性。

细菌纤维素诱导rGO气凝胶基体中孔隙的定向排列，提升弹性恢复能力，减轻结构失效及服务过程中压缩应力引起的循环疲劳损失。电磁特性测试显示，GCH复合材料在X波段具有宽带吸收特性，其中GCH-3/10/12的最小反射损耗（RLmin）超过−70 dB。特别地，通过拱形法测试的GCH-7在1–18 GHz频率范围内实现RLmin为−19 dB，有效吸收带宽（EAB）达12.1 GHz（完全覆盖Ku频段），厚度仅10 mm。通过拱形法获得的实际RL曲线与电磁参数拟合结果高度一致。同时，该复合材料具备疲劳耐久性、热绝缘性、自熄灭行为及高频声吸收等综合功能。本研究为兼具承载能力和多场景应用的气凝胶-蜂窝复合材料设计提供了新范式，并有望推动波吸收材料在航空航天及电磁防护领域的规模化应用。

2图文导读

图1. Schematic illustration for the fabrication of rGO/BC filled aramid honeycomb composites.

图2. SEM images of (a₁) GCH-3, (b₁) GCH-5, (c₁) GCH-7, (d₁) GCH-10, (e₁) GCH-12 in axial direction, and (a₂) GCH-3, (b₂) GCH-5, (c₂) GCH-7, (d₂) GCH-10, (e₂) GCH-12 in radial direction.

图3. (a) XRD pattern, (b) FTIR spectrum, and (d) XPS spectra of GO, rGO, and rGO/BC-7. (c) Raman spectrum of different samples. (e, f, g) XPS high-resolution C1s spectra of GO, rGO, and rGO/BC-7, respectively. (h) The bulk density of pure honeycomb and GCH composites.

图4. The (a, b) relative complex dielectric constant, (c) dielectric loss tangent (tanδ_ε) of GCH composites with different GO concentrations.

图5. RL curves (a) GCH-3, (b) GCH-5, (c) GCH-7, (d) GCH-10, (e) GCH-12 with different matching thickness in X band.

图6. The picture of the relationship between RL curves and impedance matching curves of GCH-X with optimal thickness.

图7、The schematic diagram of microwave absorption mechanism of absorbing honeycomb composites.

图8. The compression stress-strain curves of (a) pure honeycomb and GCH-7 in axial direction, compression cycle curves of (b) pure honeycomb, (c) GH-7, and (d) GCH-7 in radial direction. (e) Stress retention rate of pure honeycomb, GH-7, and GCH-X. (f, g, h) The photo of before and after cycle compression test of pure honeycomb, GH-7, and GCH-7, respectively.

图9、 (a) The thermal insulation performance of samples on heat platform with different temperature. (b) The flame retardant test of GCH-7.

3小结

本研究通过定向冷冻干燥技术将rGO/BC气凝胶集成到芳纶蜂窝基体中，成功制备了多功能GCH复合材料。该复合材料兼具宽带电磁波吸收（X频段和Ku频段）、疲劳耐久性、热绝缘性、自熄灭性能及声吸收性能。在微波吸收性能方面，GCH-12通过波导法在6毫米厚度下实现了RLmin为−74 dB和EAB为4 GHz。此外，GCH-7通过拱形法在10毫米厚度下实现了12.1 GHz的宽带吸收（完全覆盖Ku频段）。优异的吸收能力归因于阻抗匹配和卓越的衰减机制，如导电损耗、极化损耗和多反射。在机械性能方面，由于填充到芳纶蜂窝矩阵中，rGO/BC气凝胶的压缩强度显著提高。随后，GCH-7展现出良好的疲劳耐久性，在100次压缩循环后仍保持87%的初始压缩强度和结构完整性。热管理评估显示，GCH-12在200℃热平台上的表面温度为81.6℃，可在60秒内防止芳纶蜂窝结构燃烧。同时，该复合材料展现出高频声学衰减特性，GCH-7在20毫米厚度下于0.9–6.4千赫兹频率范围内实现声吸收系数超过0.4。通过突破传统碳基气凝胶的脆性限制和商业蜂窝板的功能单一性，将结构承重能力与微波吸收相结合，该材料在工业化应用方面展现出显著潜力。首先，波吸收剂易于获取且制备简单，而低填充率有利于成本降低。此外，冻干工艺已成熟，由于蜂窝板为低厚度矩形板，冻干机腔室可专门定制以提升真空抽气效率。此外，联氨水合物蒸汽还原法兼具高效率与简便性。制备的波吸收蜂窝板适用于航空航天部件（飞机机翼、雷达罩）、军事隐形技术、专用设备，以及作为信号基站的电磁干扰屏蔽层。