隱身技術在現代軍事中扮演著至關重要的角色，隱形裝備能夠使飛機、艦艇和車輛在敵方雷達探測下減少甚至消除其探測信號，從而保證軍事行動成功率。其中，結構-吸波一體化材料是未來隱身技術發展的一個重要方向，這種材料不僅能夠承受極端環境下的力學負載，還能夠在GHz頻段上提供優異的電磁波吸收性能，從而大大提高軍事裝備生存能力。
碳纖維具有輕質、高強、耐腐蝕、高導電等優點，被廣泛運用于航空航天、汽車工業、風電葉片、電子等行業，碳纖維巨量的應用也帶來了回收再利用的問題。北京化工大學賈曉龍教授、楊小平教授團隊從2014年開始關注碳纖維的回收再利用問題，并與美國波音公司合作致力于開發碳纖維高效、高值化回收再利用技術，通過合理利用再生碳纖維優異的機械性能、導電、導熱性能，開發了一系列結構-功能一體化再生碳纖維復合材料。前期，該研究團隊通過對再生碳纖維表界面改性，同步提高了其復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987.）。在此基礎上，進一步研究了再生碳纖維排列方式對電磁屏蔽的影響規律，并通過取向和鋪層設計實現了其復合材料的高效電磁屏蔽性能（Composites Part B: Engineering, 2021, 211, 108656.）。此外，該團隊還以吸波隱身為研究目標，采用低成本的再生碳纖維作為基材，通過簡單的自組裝和自催化熱解制備得到1D@2D@1D多級異質結構，實現了再生碳纖維復合材料的超高微波吸收效率（Small, 2022, 18(13): 2105411. ESI高被引論文）。
然而，吸波性能和力學性能通常存在相互制約關系，吸波材料的機械強度難以滿足當前惡劣環境許用要求，極大地限制了其應用場景。這是由于“輕、薄、寬、強”的吸波性能要求微納填料具有豐富孔隙并在基體中以高負載量填充，以滿足良好的阻抗匹配和強的電磁損耗能力，這導致復合材料界面結合差、脆性大、易斷裂，因此結構-吸波一體化復合材料的設計與制備仍然是亟需解決的技術難題。
基于此，北京化工大學賈曉龍教授、楊小平教授團隊報道了一種界面電荷運動介導的極化強度調控策略，通過引入氧化鋅納米線界面相以協同改善再生碳纖維復合材料的阻抗匹配、提高電磁損耗能力、增強界面結合，并基于再生碳纖維表面化學官能團調控來強化再生碳纖維-氧化鋅異質界面極化強度，從而協同提升了極化損耗能力和界面鍵合強度，解決了吸波性能和力學性能間的矛盾，實現了復合材料結構-吸波一體化，拓展了吸波材料的應用場景，提升了再生碳纖維復合材料的再利用價值。相關研究成果以“Charge Dynamics Engineering Sparks Hetero-Interfacial Polarization for an Ultra-Efficient Microwave Absorber with Mechanical Robustness”為題發表在了《Small》上，并被選為期刊內封。合肥工業大學電氣學院講師還獻華為第一作者，通訊作者為北京化工大學材料學院賈曉龍教授。
一、表面化學官能團介導的異質結構界面電荷調控策略
再生碳纖維-氧化鋅納米線異質結構制備路線及異質界面電荷運動如下圖所示（圖1a）。通過表面等離子體處理可以調控再生碳纖維表面化學官能團(圖1b-d)，提高含氧官能團含量。等離子體處理前后的再生碳纖維表面均能均勻負載氧化鋅納米線陣列，再生碳纖維-氧化鋅納米線異質結構形貌均一（圖1e-l）。
圖1. 再生碳纖維-氧化鋅納米線異質結構制備及界面電荷調控策略示意圖（a）、碳纖維表面化學官能團及形貌結構表征(b-l)
二、結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料的吸波性能
得益于氧化鋅納米線界面相的阻抗匹配調諧作用及異質界面極化損耗，ZnO@CF復合材料表現出比CF復合材料更加優異的吸波性能。而經過表面等離子處理后的ACF與氧化鋅之間的界面極化損耗大大增強，因此ZnO@ACF復合材料在1.5mm的厚度下實現了-55.3dB的吸波性能，并實現了5.0GHz的有效吸收頻寬（圖2i）。
圖2.結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料電磁參數（a-c）及吸波性能表征(d-i)
三、結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料吸波機理
從阻抗匹配特性分析可以看出，氧化鋅納米線界面相的引入大大改善了碳纖維復合材料的阻抗匹配特性（圖3a），并在10GHz附近形成顯著的德拜弛豫效應（圖3c,d）。此外，結合電磁參數(圖2b,c)及電磁衰減性能（圖3b）分析，可以發現相比于形貌、組成相似的ZnO@CF復合材料，ZnO@ACF復合材料具有更高的介電常數虛部，且代表極化損耗的Cole-Cole半圓直徑更大，表明ZnO@ACF復合材料具有更強的極化損耗能力。
圖3. 結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料阻抗匹配特性及電磁衰減性能
這種極化損耗源自于再生碳纖維-氧化鋅異質界面自發極化，由于界面兩相功函數的差異，形成緊密接觸界面電荷會自發運動從而達到費米能級平齊，此時界面能帶發生彎曲形成勢壘阻礙了電荷的進一步運動，因此形成了界面空間電荷分布（圖4a），這種界面空間電荷分布在交變的電磁波下反復運動形成界面極化損耗。根據密度泛函理論計算可以發現，具有較多含氧官能團的再生碳纖維具有更高的功函數，界面差分電荷密度分析也表明了ZnO@ACF具有更不均勻的界面電荷分布（圖4b-d）,闡明了ZnO@ACF增強的界面極化損耗機制。
圖4. 結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料異質界面電荷運動調控機制
四、結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料界面結合性能
界面結合是影響復合材料力學性能的關鍵因素。基于原子力顯微鏡的粘附力表征分析表明，ZnO與ACF之間具有更高的界面粘附力（圖5a-d），這源自于界面電荷運動介導的界面極化強度的增強。微脫粘測試及界面脫粘形貌表明，ZnO@ACF與樹脂基體具有最高的界面結合強度（97.5MPa），相比于未經改性的再生碳纖維提高了57%，這得益于氧化鋅納米線增強的界面機械互鎖效應（圖5e-l）。
圖5. 結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料界面粘附力（a-d）與界面結合強度表征（e-l）
小結：這項工作提出了一種界面電荷運動介導的極化強度調控策略，協同提升了極化損耗能力和界面鍵合強度,實現了超高的吸波效率和界面結合強度，為結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料的設計提供了新視角。
圖6 結構-吸波一體化再生碳纖維復合材料吸波效率對比及綜合性能雷達圖
該研究受到國家重點研發計劃（No. 2019YFB1504800）、北京自然科學基金（No. 2192044）、中央高校基本科研業務費（No. XK1802-2）、有機無機復合材料國家重點實驗室開放課題（No. Oic-202001008、Oic-202101008, Oic-202201007）等項目資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202306104
