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西南交通大学孟凡彬教授团队AFM：仿生自由空间架构工程：石墨烯基纤维纺织品的宽带电磁吸收与热管理
传统微波吸收材料（MAMs）面临窄带宽、高厚度、成分驱动限制，无法满足下一代可穿戴电子、隐身技术对“轻量化、柔性、宽带电磁吸收+热管理一体化”的需求。现有纤维基吸收材料存在不足：单纤维缺乏层级介观设计、耗散模式受导电性限制、自由空间拓扑对阻抗匹配的影响不明、宏观超结构编码策略不成熟。
近日，西南交通大学孟凡彬教授团队提出一种仿生自由空间架构工程策略，通过该策略可在石墨烯基纤维纺织品中构建层级孔 - 腔结构。在腔共振理论指导下，通过多轴湿纺和定向干燥工艺制备出中空纤维和气凝胶纤维，实现了精准的阻抗调制及协同的传导 - 极化损耗。优化后的结构展现出卓越性能：RAHF-2 的有效吸收带宽（EAB）达 8.6 GHz，最小反射损耗（RLmin）为 - 32.8 dB；RMAF-5-E 的最小反射损耗为 - 59.1 dB，有效吸收带宽为 8.5 GHz；RMAF-10-EA 在 2.0 mm 超薄厚度下仍具有 - 42.0 dB 的强吸收性能。除电磁防护外，该类纺织品还具有快速光热转换能力（60 秒内可达 65℃），为自适应热调控提供了多功能性。该研究为下一代超材料纺织品建立了结构设计范式，实现了电磁隐身、可穿戴防护与智能热管理的有机结合。相关研究成果以“Bioinspired Free‐Space Architecture Engineering for Broadband Electromagnetic Absorption and Thermal Management in Graphene‐Based Fibrous Textiles”为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
展开剩余85%图 1 (a) 北极熊中空毛发的仿生隔热机制示意图。(b) 中空纤维与气凝胶纤维的热管理及吸波性能机制对比。(c) 仿生纤维纺织品的自由空间拓扑形态调控及对应应用场景。(d) 基于自由空间调控的先进设计理念纺织品。
自由空间工程化 RAHF 与 RMAF 的可控构建
受北极熊毛发独特结构启发，本研究扩展并重构了其经典中空通道结构，通过调控纤维内自由空间的形态和分布，系统探究了热管理与微波吸收协同优化的新机制（图 1a）。北极熊毛发的中空结构具有两项关键天然功能：在体表形成高效热阻界面实现优异隔热，同时降低表面红外发射率实现热隐身。这种双功能天然设计启发了核心假设：若将传统中空结构中受限的自由空间进行拓扑优化，构建 3D 互联多孔网络（类似气凝胶的层级多孔结构），能否实现对热传导和电磁波响应行为的主动调控？在该假设指导下，通过精准设计纤维内自由空间分布，验证了纺织品中多功能整合的可调性（图 1b）。
具体而言，中空纤维凭借致密外壁和封闭腔结构有效抑制声子传输，展现出优异隔热性能；同时，封闭腔可诱导入射电磁波的共振吸收，通过腔壁共振效应增强微波损耗能力。相比之下，气凝胶纤维具有连续的 3D 自由空间多孔网络，延长声子传输路径以提高导热性，同时为电磁波创造丰富的散射界面和极化弛豫中心。由于这些独特的自由空间介导机制，中空纤维纺织品在隔热、微波吸收和红外隐身方面表现突出，而气凝胶纤维纺织品更适用于需要热传导、光热转换和宽带电磁波吸收的场景（图 1c）。因此，本研究首次在 “DCFII” 设计理念（数据驱动、成分复杂、功能化、集成化、智能化）指导下，提出一种基于自由空间构型调控的新型仿生纤维开发策略（图 1d）。该策略填补了天然中空结构与工程多孔气凝胶之间的空白，为下一代智能防护材料和自适应热管理系统的设计提供了理论基础和材料平台。
图 2 (a) 采用湿纺、自组装及蒸汽还原工艺制备 RAHF 和 RMAF 的流程示意图。(b) 单根 RAHF 的层级结构示意图。(c) RAHF-0.5 中 C、I、Ag 元素的分布分析。(d) RHF、(e) RAHF-0.5 及 (f) 螺旋扭曲纤维束的轴向截面 SEM 图像。(g) RAHF-1.0 复合材料中银晶体的高分辨 TEM 图像。(h) 单根 RMAF 的层级结构示意图。(i) RMAF-10 中 Ti、C、I 元素的分布分析。(j) RMAF-0、(k) RMAF-2、(l) RMAF-5 及 (m) RMAF-10 的轴向截面 SEM 图像。
该研究开发了一种可扩展的制备策略，能够在多尺度范围内对自由空间架构进行精准编程。为制备具有可编程自由空间架构的仿生中空和气凝胶纤维，采用了可扩展的湿纺/凝胶交联技术。通过高长径比单轴/同轴针实现微观结构成分的剪切诱导取向（图 2a），后续干燥策略对孔隙分布稳定性起关键作用。具体而言，室温应力干燥使 GO/AgNW 凝胶网络取向，而冷冻干燥保留 GO/MXene/PVA 复合材料的 3D 多孔框架。图 2b 展示了 RGO/AgNW 中空纤维（RAHF）的层级结构。溶剂交换过程中，正己烷分子从芯部扩散，使 GO 纳米片快速交联形成中空结构。干燥过程中的拉伸应力诱导凝胶相 GO/AgNW 定向重排，形成致密的 2D/1D 堆叠壳层结构。
研究表明，PVA 含量对气凝胶纤维内孔隙层级结构起关键调控作用，促进从 2D 层状堆叠向 3D 互联网络的转变。RAHF 的自由空间架构编程策略增强中空通道壁的电学性能，而对 RMAF 而言，该策略直接影响孔隙拓扑和孔隙率。图 2h 展示了 RMAF 的横截面形态，呈现出由 PVA 交联 MXene/RGO 组装体形成的 3D 多孔网络。1D PVA 链作为结构支架，引导 2D MXene 和 RGO 纳米片逐层组装成互联框架。
图 3 (a) RAHF 和 RMAF 自由空间工程的微观结构演变过程示意图。(b) RHF 和 RAHF 的 X 射线衍射（XRD）图谱及 (c) 傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征。(d) RHF 和 RAHF 的导电性统计分布。(e) 单根 RHF 和 RAHF 力学性能的应力 - 应变曲线。(f) RMAF-x（x=0、2、5、10）的 XRD 图谱及 (g) FTIR 光谱表征。(h) RMAF-x 的 BET 孔隙率及孔径分布表征。
图 4 (a) 不同中空纤维在 X 波段和 Ku 波段下，理论计算的反射损耗（RL）值随厚度和频率变化的三维示意图。(b) 各类 R (A) HF（含 RHF 和 RAHF）的最优有效吸收带宽（EAB）范围，及对应厚度与反射损耗（RL）值的综合对比。(c) RAHF-2.0 在厚度 3.0–4.6 mm 范围内，有效吸收带宽（EAB）、共振频率及最小反射损耗（RLmin）的演变规律。(d) 不同中空纤维在吸波性能与导电性方面的对比。(e) 具有不同多孔结构的各类 RMAF 在 E-E 堆叠模式下的吸波性能对比。(f) RMAF-5 在不同堆叠模式下的吸波性能。(g) RMAF-x 在 A-E 和 E-A 堆叠模式下的二维吸波光谱。(h) RMAF-10 在不同堆叠模式下的二维反射损耗（RL）对比图谱及对应的输入阻抗与自由空间阻抗比值（|Zin/Z0|）。(i) 本研究与已报道的还原氧化石墨烯（RGO）基微波吸收材料（MAMs）在最小反射损耗（RLmin）、有效吸收带宽（EAB）及厚度方面的吸波性能雷达对比图。
中空纤维和气凝胶纤维的独特微波吸收特征源于根本不同的电磁相互作用机制，可在统一的结构 - 介电性能 - 性能框架内合理化。该框架以导电网络构型和嵌入自由空间的拓扑为核心：在中空纤维中，由 RGO 和 AgNW 组成的连续致密导电壳层建立了主导的欧姆损耗路径；主要自由空间元素是明确的宏观腔，该集中腔充当共振单元，诱导复介电常数虚部的强频率选择性增强，因此吸收性能特征为强但相对窄带的衰减，在腔共振频率处达到峰值。相比之下，气凝胶纤维具有由互联 MXene 和 RGO 纳米片形成的渗透型高界面导电网络；自由空间并非集中分布，而是以高密度微观孔基质形式分散，这种架构产生巨大内表面积，导致大量界面极化和相应的宽频率范围介电损耗因子逐步升高，因此吸收表现为超宽带宽，尽管强度分布通常与共振中空纤维不同。这种对比分析得出通用设计原则：自由空间拓扑作为关键架构变量，明确的孤立腔设计类似介电响应的共振器，用于靶向强吸收；分散的高密度多孔网络设计扩散的极化主导介电响应，用于宽带吸收；导电网络的连续性和密度随后放大所选损耗机制。因此，通过首先选择合适的自由空间架构来塑造所需的复介电常数谱，然后优化导电框架以最大化所得损耗，可预测性地实现目标吸收性能。
图 5 不同壳层性能 RAHF 的实测电磁参数：(a) 复介电常数实部（ε'）与 (b) 复介电常数虚部（ε''）。(c) 不同 RAHF 在 X 波段和 Ku 波段的科尔 - 科尔图（Cole–Cole plots）。(d) 各类 RAHF 的计算衰减常数（α）图谱。(e) 各类 RAHF 的传导损耗与极化损耗计算贡献度。(f) 各类 RAHF 的输入阻抗与自由空间阻抗比值（|Zin/Z0|）二维计算阻抗匹配图谱。(g) RAHF 的吸波机制示意图。(h) 不同堆叠方式 RMAF 的实测介电常数虚部（ε''）与实部（ε'），及波导偏振器中的对应模型示意图：(h1) 纬向堆叠模式（定义为 E 模式）、(h2) 经向堆叠模式（定义为 A 模式）、(h3) E-A 交替堆叠模式、(h4) A-E 交替堆叠模式。(i) RMAF-10 在不同排列模式下，X 波段和 Ku 波段的传导损耗与极化损耗贡献比。(j) 不同堆叠模式 RMAF-10 的 | Zin/Z0 | 值图谱。(k) RMAF 的吸波机制示意图。
多功能中空纤维与气凝胶纤维织物的电磁及光热性能
本研究设计的气凝胶纤维纺织品在吸收和耗散电磁波的同时，还能实现高效光热转换以进行热管理，其应用范围已扩展至太阳能收集、光热催化和抗菌领域。图 6g 展示了红外热像仪追踪的织物在光照下的表面温度演变过程：所有织物在 5 秒内快速响应，60 秒内达到平衡温度。RMAF-5 的光热转换效率最高（平衡温度 65℃），这得益于其多孔结构增强了光捕获和界面转换，同时连续的 π 共轭网络促进声子传输；相比之下，RMAF-10 的温度最低，因为 PVA 破坏了有序的 2D/2D 堆叠结构，抑制了声子激发与传播。图 6h 量化了织物中心表面温度随光照时间的变化曲线，证实了快速升温（光照 5-10 秒）和光照停止后的快速冷却特性。总之，图 6i 示意了不同纤维架构中的微波和光子转换过程，这些仿生纺织品在轻量化多孔框架中集成了微波吸收、导电、热调控和光热转换功能，解决了可穿戴纺织品、部件防护和军事应用中的多功能集成难题。
图 6 各类中空织物的电磁模拟结果：(a) 响应电场、(b) 体积损耗密度及 (c) 表面电流密度在 8 GHz、12 GHz 和 18 GHz 频率下的分布。(d) 气凝胶织物不同堆叠模式在 12 GHz 下的模拟响应电场对比。(e) 不同自由空间形态纤维纺织品在 12.5 GHz 下的雷达散射截面（RCS）模拟结果，及各纺织品相较于理想导电板（PEC 板）的雷达散射截面缩减量。(f) 各类纺织品的三维雷达波散射模型。(g) 单层织物在光热转换过程中，随光照时间延长的表面温度变化红外图像。(h) 光热转换过程中，织物中心表面温度随光照时间变化的光热转换关系曲线。(i) 织物纺织品的能量转换机制示意图。
结论
现代通信和雷达系统的需求不断增长，凸显了传统微波吸收材料（MAMs）的不足 —— 这类材料往往在带宽、厚度和损耗强度之间存在固有的权衡难题。本研究突破传统成分主导的设计范式，提出一种仿生自由空间架构工程策略，实现了石墨烯基纤维材料从微观到宏观的可编程结构调控。该策略成功制备出具有定制化孔 - 腔结构的中空纤维和气凝胶纤维，展现出卓越的吸波性能：RAHF-2 的有效吸收带宽（EAB）达 8.6 GHz，最小反射损耗（RLmin）为 - 32.8 dB；RMAF-5-E 的最小反射损耗高达 - 59.1 dB，有效吸收带宽为 8.5 GHz；RMAF-10-EA 在 2.0 mm 超薄厚度下仍保持 - 42.0 dB 的强吸收性能。
从机理上看，这些结构协同调控了多尺度损耗机制，包括空穴诱导的相位抵消、界面极化增强及导电网络优化，最终在轻量化、柔性的结构中实现了宽带、高强度的电磁吸收。展望未来，该设计范式为具备实时频率和极化调控功能的自适应超材料纺织品奠定了基础，适用于可穿戴电子设备、无人系统和柔性机器人等领域。除电磁隐身外，该材料凭借高效的光热转换性能，在智能调温穿戴设备和光热催化领域也具有广阔应用前景。未来研究可通过机器学习优化自由空间参数，并开发规模化织造工艺以实现大面积应用。
归根结底，本研究为下一代通信和智能电磁应用领域，建立了高性能、多功能吸收系统的设计框架。该自由空间工程范式不仅为自适应超材料纺织品提供了新思路，其集成的光热功能也为智能热调控和催化应用开辟了新路径。将实验室创新转化为实际应用，关键在于规模化制造和环境耐久性的提升 —— 本研究采用的湿纺和冷冻干燥技术与卷对卷加工工艺兼容，为大规模生产提供了可行路径。未来需重点关注混合纤维的长期稳定性，尤其是 MXene 的抗氧化性和银纳米线（AgNW）网络在不同力学、湿热及工作应力下的界面耐久性。具有潜力的研究方向包括开发刺激响应型结构以实现自适应性能、利用数据驱动方法优化自由空间参数，以及将这类纤维集成到结构复合材料或能源系统中。这些努力对于下一代智能平台的发展至关重要，有望实现电磁干扰管理与多功能集成的无缝融合。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202530666
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