随着5G/6G通信技术的不断发展以及高功率电子设备的广泛应用，电磁污染问题已成为威胁国防安全、人体健康和电子设备稳定运行的全球性技术难题。传统的微波吸收材料由于存在吸收带宽偏窄、吸收强度弱、结构稳定性差且功能单一等问题。针对上述挑战，华南理工大学郭建华教授、蒋兴华研究员团队通过对碳气凝胶的结构设计，前期制备了一系列吸波性能优异的复合碳气凝胶材料，包括具有类卷心菜结构的氟橡胶增强碳气凝胶（Matter, 2023, 6(12), 4321-4338）、具有层状结构的氧化锆纤维增强石墨烯气凝胶（Chem. Eng. J., 2023, 468, 143850）和具有多层梯度结构的宽频吸波MXene/石墨烯复合碳气凝胶（Small, 2024, 20, 2401755）。
然而，在深海勘探、潜艇作战以及水下通信等领域，复杂的水下环境对材料的综合性能提出了更加严苛的要求。海洋装备运行产生的低频噪声（频率<2000 Hz）难以被常规多孔材料有效吸收，且深水高压环境也容易导致材料结构变形，声波吸收性能变差。由此可见，现有吸波材料功能单一且无法在水下应用，难以兼顾电磁吸收、声学降噪与高力学强度的多重需求。
近期，华南理工大学郭建华教授、蒋兴华研究员团队联合广东工业大学张欣教授团队，通过高速搅拌发泡和冷冻干燥技术，成功制备了聚乙烯醇/碳复合气凝胶（PCGA）。该材料具有优异的水下压缩回弹性（90%压缩应变下循环压缩2000次气凝胶无明显变形）和形状记忆效应。通过多层组装泡孔结构的PCGA可以获得GPCGA。GPCGA的微波吸收带宽高达12.7 GHz，降噪系数达到0.55，为海洋通讯、潜艇隐身及水下噪声控制提供了潜在应用。相关成果以“Multilayer Polyvinyl Alcohol/Carbon Composite Aerogels with Broadband Microwave and Noise Absorption and Novel Shape Memory Effect”为题目发表于《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院博士生余池，通讯作者为郭建华教授和张欣教授。广东工业大学博士生施全权为该工作的吸声性能测试和声学有限元模拟工作提供了大力支持。该研究得到包括广东省重点领域研发计划项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中山市重大科技项目等资助。
图1 PCGA和梯度结构GPCGA的设计与制备流程
通过高速搅拌、发泡和冷冻干燥技术，将羧基化碳纳米管（CNT-COOH）、氧化石墨烯（GO）与聚乙烯醇（PVA）复合，形成多孔气凝胶骨架。利用水塑性与湿压组装技术，将不同压缩应变的气凝胶层堆叠为梯度结构（大孔-中孔-小孔），通过氢键和π-π作用增强层间结合，实现稳定的多层泡孔结构。
图2 PCGA的化学与形貌表征
FT-IR与XRD分析证明PVA与GO/CNT-COOH通过酯键和氢键交联，形成稳定的三维网络结构。SEM分析显示PCGA在不同压缩应变下（0~90%）发生微观形变，孔隙结构随压缩应变增大而逐步闭合。TEM分析显示CNT-COOH与GO片层被PVA膜均匀包覆，形成双尺度多孔结构，增强了材料的导电损耗与极化损耗。
图3 水下力学性能与形状记忆效应
水下压缩测试显示PCGA在90%压缩应变下可完全回弹，经2000次循环压缩后的最大压缩应力为初始值的74%，具有极好的压缩回弹性。由PCGA制备的机器人模型压缩后可通过吸水恢复原形，结构保留相对完整。PCGA展现出优异的形状记忆效应，类似于科幻小说《三体》中“脱水-吸水恢复原形”过程。原位显微观察显示压缩时气凝胶的孔壁发生弹性变形，但没有结构损伤，可实现多次压缩回复。
图4 宽带微波吸收与潜艇隐身模拟
压缩应变可以调控气凝胶的介电常数，PC1G1A-90%的实部（ε''）与虚部（ε''''）值最高，增强了电磁损耗。三层梯度结构GPCGA（PC1G1A/PC1G1A-75%/PC1G1A-90%）在厚度为11.9 mm时对应的有效吸收带宽达到12.7 GHz（2.0~3.0和6.3~18.0 GHz）。CST模拟显示，GPCGA涂层使潜艇模型的雷达散射截面（RCS）最低达到?52 dBsm，隐身性能优于单层PCGA。
图5 噪声吸收和模拟以及水下吸声效果演示
梯度孔结构（G(S-M-L)）在厚度为30 mm时的噪声吸收系数接近1，降噪系数（NRC）达0.55，低频噪声（500~2000 Hz）吸收效率大幅提升。COMSOL模拟显示，梯度结构通过多级阻抗匹配延长了声波传播路径，实现了能量的逐层耗散。水下测试中，G(S-M-L)将蜂鸣器噪声声强从77.2 dB降低至62 dB，有效实现水下噪声吸收。因此，该研究制备的复合碳气凝胶在宽频微波吸收、水下降噪等领域具有广阔的应用前景。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502749
