中北大学《Carbon》：双层石墨烯泡沫/芳纶蜂窝复合材料，用于新一代武器中雷达隐身

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成果简介

雷达技术的飞速发展催生了对高性能电磁吸收器（EMAs）的迫切需求。然而，传统电磁吸收器存在机械强度不足、带宽受限以及功能集成能力有限等局限性，亟待突破。本文，中北大学苏晓岗、刘亚青教授等在《Carbon》期刊发表名为“Multiscale Design of a Double-Layer RGO Foam/Aramid Honeycomb Sandwich for Broadband Electromagnetic Wave Absorption”的论文，研究采用一种填充还原氧化石墨烯（RGO）泡沫的创新型双层蜂窝夹层吸收结构（D-RGOH），提出并验证了集“介电增强、传输路径延长及梯度阻抗匹配”于一体的多尺度设计理念。

通过协同利用RGO的电荷转移和极化效应，实现了介电增强。采用碳酸氢钠绿色发泡工艺构建了致密的折叠蜂窝结构，从而延长了电磁波（EMW）的传播路径。基于遗传算法（GA）优化，对D-RGOH进行了梯度阻抗匹配调谐，以最大化电磁波入射。实验结果表明，D-RGOH实现了12.7 GHz的有效吸收带宽（EAB），远超单一组件的性能。同时，其展现出优异的机械承载能力和隔热性能。这种多尺度设计策略为开发宽带电磁吸收材料（EMAs）提供了新范式，并在新一代武器系统的雷达隐身技术应用中展现出巨大潜力。

图文导读

Fig. 1. Flowchart of RGOH preparation.

图2. (a-d) SEM morphology of RGOH-40-Y, Y=1, 10, 20, and 30. (e-h) The ratio of RGO and air pores in the RGOH-40-Y samples. (i) Pore volume fractions of RGOH-40-Y. (j) Pore volume fractions of RGOH-X-10.

图3、 (a) Raman image of RGOH-40-Y. (b) XRD pattern of RGOH-40-Y. (c) XPS survey spectra of GOH and RGOH-40-Y. (d-h) XPS deconvoluted spectra of GOH and RGOH-40-Y. (i) XPS binding energy shift of GOH and RGOH-40-Y.

图4. (a-b) Real and imaginary parts of permittivity for RGOH-40-Y. (c-d) Conductive loss and relaxation loss for RGOH-40-Y.

图5. (a–d) 2D contour maps of RGOH-40-Y. (e) Attenuation constant(α) of RGOH-40-Y. (f) The |Z| for RGOH-40-Y at a thickness of 5 mm.

图6. (a) Cloud diagrams of electric field intensity, magnetic field intensity, and energy loss at 3 GHz, 8.47 GHz, and 14.75 GHz. (b) EW absorption contribution ratio of D-RGOH within 2–18 GHz. (c) Zin between different layers. (d) Comparison of simulated and experimentally measured performance of D-RGOH.

图7. Schematic diagrams of D-RGOH

图8. Mechanical characterization and thermal insulation properties of D-H and D-RGOH. (a) Flexural strength and modulus. (b) Load-displacement curve. (c) Stress-strain curve. (d) Max Compressive strength. (e) Force-time curve. (f) Energy-time curve. (g) Visualization of infrared thermography data.

小结

本研究提出了一种宽带电磁吸收材料（EMA）的创新设计策略，通过将RGO泡沫与蜂窝结构相结合，并引入电磁参数的梯度分布，从而实现了波吸收功能与结构性能的协同集成。所设计的D-RGOH采用双层RGOH框架结构，其上下表面分别覆盖有超高分子量聚乙烯（UHMWPEF）和碳纤维（CF）表皮，从而提供了较高的承载刚度。通过将蜂窝腔体完全填充RGO泡沫，该材料建立了由“介电增强、传输路径延长和梯度阻抗匹配”组成的多尺度波吸收机制，从而显著提高了电磁能量耗散效率和频谱可调性。通过CST-GA耦合优化，确定了最优结构参数，包括UHMWPEF表层厚度h1为3.3 mm，上层蜂窝层由RGOH-40-1构成，下层蜂窝层由RGOH-80-10构成，以及2 mm厚的碳纤维反射底板。优化后的D-RGOH在15.3 mm厚度下实现了12.7 GHz的EAB和-22.81 dB的RLmin。此外，其还展现出优异的力学性能，弯曲强度达23.7 MPa，弯曲模量达2.02 GPa。在低速冲击下，该材料可承受9.05 kN的峰值载荷而不发生穿透，并吸收10.05 J的冲击能量。其固有的多孔结构还赋予了材料低密度和优异的隔热性能。总体而言，这项研究为设计和制造宽带、承重型电磁吸收材料开辟了新的途径，

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121638

信息来源：材料分析与应用

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