电磁波污染和热损伤对精密仪器，尤其是在航空航天领域，构成了严重威胁。功能性气凝胶因其吸收电磁波和隔绝热量的特性，提供了一种具有良好前景的解决方案。然而，优化这两种特性时常面临着一个以往研究中常常被忽略的矛盾：热防护效果与材料厚度呈正相关，而电磁波吸收只能在特定厚度下达到最佳效果（图1）。因此，目前的研究难以同时实现电磁波吸收效率和热防护效果的平衡。
图1.电磁波吸收和热防护优化策略之间的矛盾。
为了解决电磁波吸收与热防护性能共同优化中的关键冲突，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出一种双重防护材料的设计策略：i) 高孔隙率，以促进电磁波的多次反射和散射；ii) 衰减常数（𝛼）与阻抗匹配（Z）之间的良好平衡；iii) 通过改变压缩厚度来调节导电性和电磁参数的能力；iv) 在高应变下具有可靠的结构鲁棒性和耐久性；v) 各向异性热导率，包括垂直方向（与层状方向垂直）的超低导热率和对齐方向（与层状方向平行）的较高导热率。鉴于此，研究人员设计并制备了一种兼备动态电磁波吸收性能和热防护的功能碳弹簧（functional carbon spring,FCS）气凝胶材料。相关研究成果以“Functional Carbon Springs Enabled Dynamic Tunable Microwave Absorption and Thermal Insulation”为题发表于国际学术期刊《先进材料》上 (Adv. Mater.2024, 36,2412605)。该论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士后王泽宇、博士研究生李博和西北工业大学博士研究生李朝晨，通讯作者为中国科学技术大学俞书宏院士、朱银波副教授和西北工业大学叶昉副教授。
FCS独特的仿足弓长程层状多拱微观结构使其电磁波吸收性能可调，并具备优异的热防护能力。通过调整压缩应变从0%到50%，该材料的可调有效吸收带宽可达13.4 GHz，覆盖了测量频谱的84%。值得注意的是，在75%应变时，吸收带宽降至0 GHz，展现出新颖的吸波“开-关”切换能力。其超低的垂直热导率（12.7 mW m−1K−1）和“面内高热导，面外低热导”的各向异性热传导机制赋予FCS卓越的热防护效果。数值模拟表明，FCS在热防护方面优于常见的蜂窝结构和各向同性多孔气凝胶。此外，研究人员建立了“电磁-热”双重保护材料数据库，直观展示了该材料和设计策略的优越性。
图2.a) FCS的可调的电磁波吸收性能与优异的热防护能力。b)“电磁-热”双重保护材料数据库。
这项研究阐明了限制具有优越电磁波吸收和热防护特性的多功能气凝胶材料发展的冲突，进一步提出了一个新的设计范式。此外，所提出的隔热材料数据库和“电磁-热”双重保护材料数据库也为直观的性能比较提供了标准。
该工作得到新基石研究员项目、国家重点研发计划、中国科学院战略型先导科技专项基金、国家自然科学基金重大项目、中国科学院青年创新促进会、安徽省重大基础研究项目等资助，以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412605