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            西南交大孟凡彬團隊 Small:介電型多尺度手性寬頻吸波材料及多級手性協同效應誘導的電磁波衰減增強機制
            2023-03-08  來源:高分子科技

              目前先進組合探測技術和多波段雷達發展對吸波材料提出了許多挑戰,尤其集中于低厚度和低負載下的寬頻高效吸波需求,F有部分策略可以實現輕質寬頻高效吸收的迫切需求,例如設計獨特的結構和調節損耗介質組成;向基質中添加額外的介電/磁性損耗單元;探索新的多孔、核殼、分層或拓撲調諧結構。其中手性吸波材料由于特殊的電磁交叉極化和諧振效應,可以在不添加額外磁損耗介質條件下使得電磁參數產生明顯的磁響應,從而優化了阻抗匹配和衰減能力,這有助于寬頻吸波材料的輕量化設計和服役穩定。盡管手性吸波材料備受關注,但許多研究僅集中在簡單的材料制備和性能表征上,仍存在一些關鍵問題亟需解決,尤其是在性能調制和吸波機理方面。大多數可用構建策略幾乎無法精確控制手性/螺旋形態包括螺旋參數等。此外,手性/螺旋結構與電磁特性之間的制約和協同關系仍然模糊,缺乏對于手性結構尺度與形態和吸波特性之間解釋,這導致很難通過實驗設計來明確螺旋結構對吸波性能的影響。因此,為了促進手性寬頻吸波材料的發展,需要克服更多的挑戰。



              西南交通大學材料科學與工程學院孟凡彬“電磁功能材料”團隊近年來致力于手性吸波材料設計和電磁特性研究,并深入研究了該類寬頻吸波材料的防腐隱身一體化功能(Small, 2023, 10.1002/smll.202300233;ACS Appl Nano Mater, 2022, 5, 9780;Chem Eng J2022, 427, 131582;Compos Sci Technol, 2021, 204, 108630;Nano Res, 2018, 11, 3329;ACS Appl Mater Inter, 2017, 9, 15711)。通過系統調節吸波材料的手性/螺旋結構參數和手性基元尺度,揭示了手性參數差異導致的材料電磁響應特性演變規律,闡明了結構引發的多峰吸收諧振效應和寬頻吸波機制。此外,研究團隊還探索了手性吸波材料的高性能隱身涂層應用策略。


              在前期研究基礎上,孟凡彬團隊提出了導電聚合物基 (聚苯胺、聚吡咯)多尺度手性雜化吸波材料的可控調制策略,通過優化反應體系中的條件參數 (單體/手性基元比,酸度及剪切力等)可以實現對多級手性結構的精準調控,同時闡明了聚合物分子自組裝過程中手性中心的“轉移-放大-生長”機制。研究發現,這一手性雜化纖維表現出明顯的同軸多層次核殼結構,表面的次級手性聚苯胺納米陣列在電磁波作用下產生了明顯的諧振效應,進一步增強了手性螺旋結構的電磁交叉極化和散射能力。從而在電磁參數層面上在15 GHz附近表現出強共振峰,由此誘導了獨立于四分之一波長匹配之外的諧振損耗峰的出現,拓寬了有效吸波帶寬,證明了手性吸波材料強極化、低頻率敏感性的電磁響應特點。此材料在填料比僅為6 wt%3.6 mm厚度前提下,在8.9 GHz處表現出-51.3 dB的強吸收特點,其有效吸收帶寬達到8.6 GHz (7.416 GHz,覆蓋率幾乎全部的XKu波段),這一性能超越大部分純介電型導電聚合物基吸波材料。在此基礎上,研究者進一步結合電磁仿真技術,闡明了多級螺旋結構在交變電磁場下的電磁特性演變規律,為結構性吸波材料設計研究提供了新思路。 


            圖1 多尺度手性雜化纖維的微觀形貌以及制備流程示意圖 


            圖2 多尺度手性雜化纖維的結構表征 

            圖3 多尺度手性雜化纖維的吸波性能 


            圖4 雜化纖維阻抗匹配、衰減常數、吸波機理示意圖及其與其它手性/聚合物基材料吸波性能對比圖 


            圖5 多尺度手性雜化纖維的電磁仿真分析


             6 多尺度手性雜化纖維的表面電流密度模擬結果


              本工作以“Electromagnetic Response of Multistage-Helical Nano-Micro Conducting Polymer Structures and their Enhanced Attenuation Mechanism of Multiscale-Chiral Synergistic Effect”為題發表于Small (https://doi.org/10.1002/smll.202300233)。第一作者為西南交通大學材料科學與工程學院2022級博士研究生李天博士,通訊作者為西南交通大學材料科學與工程學院孟凡彬研究員。本研究工作得到了國家自然科學基金項目 (No. 51903213No. 5217130130190)、四川省科技計劃項目 (No. 2023NSFSC1952No. 2022ZYD0028)、中央引導地方科技發展專項基金 (No. 2021Szvup124)和中央高;A研究經費 (No. 2682021GF004)及相關國防項目的資助與支持。


              本文亮點:

            • 提出了基于原位聚合法的多尺度手性超寬頻吸波材料制備及手性結構調控方法。
            • 建立了多尺度手性結構電磁響應模型并揭示了多級手性結構協同增強的電磁損耗機理。
            • 結合實驗設計和電磁仿真角度,闡述多級手性結構與電磁波耦合的構效關系和演變規律。



              原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202300233


              作者介紹:


              李天,西南交通大學材料學院2022級博士研究生,主要從事先進寬頻吸波材料的研究,累計發表SCI一區論文10余篇,以第一/共同第一作者在Small,Chem. Eng. J.,Green Chem.,Nano Res.等期刊發表論文7篇。


              孟凡彬,西南交通大學材料學院特聘研究員,無機非金屬系主任兼黨支部書記,四川省杰出青年基金獲得者,西南交通大學“雛鷹學者”“科技新星”。主要從事先進電磁防護材料設計、制備及應用和相關電磁學機理方面的研究;以第一/通訊作者在Adv. Sci.,Small,Chem. Eng. J.,Green Chem.等期刊發表SCI論文53篇(引用4100余次,H指數34);主持國家自然科學基金、軍委科技委、裝備發展部等縱橫向項目20余項。
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            (責任編輯:xu)
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