柔性隐身贴片中的水合动力学工程：实现宽带吸收的协同调控

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Hydration-dynamics engineering in flexible stealth patches: Synergistic regulation for broadband absorption

水合动力学工程通过0.1wt%空心碳纳米笼调控水分子状态，优化了双网络水凝胶的阻抗匹配，实现5.44GHz宽带和-30.51dB反射损耗，同时保持1876%超弹性。

　　

叶伟平|闫曦|李林伟|黄青|庞青|张月|文涛|薛卫东|赵瑞|王庆元|张子东|周阳

中国电子科技大学材料与能源学院，四川省成都市611731

摘要

目前，高性能水凝胶隐身贴片受到过量游离水的阻碍，这导致严重的阻抗不匹配并影响其机械稳定性。本文提出了一种水合动力学工程策略，利用溶剂的内在极化潜力。通过添加微量（0.1 wt%）中空盒状碳纳米笼作为水合锚点，而不是在基质中添加大量填料。这些碳结构与双网络基质的内禀限制协同作用，物理上限制了游离水的移动。这种分层调控优化了水合环境，促进了通过偶极松弛实现的有效能量耗散。遵循“少即是多”的原则，这种自支撑水凝胶贴片表现出优异的性能：宽Ku波段带宽为5.44 GHz，反射损耗为?30.51 dB。雷达截面评估证实了其实际的隐身能力，峰值信号降低了99.5%，并且在90°–30°范围内具有出色的角度稳定性（平均97.2%）。重要的是，该策略保留了水凝胶的内禀超弹性（1876%的伸长率），为下一代柔性隐身材料提供了可扩展的途径。

引言

随着5G/6G时代雷达检测系统的快速普及和电磁污染的增加，迫切需要轻质、柔性和可贴合的高性能微波吸收剂[1]、[2]、[3]。最近，基于碳的纳米材料[4]、[5]、[6]和柔性多功能水凝胶[7]、[8]、[9]因其可调的介电网络和结构多样性而在极端电磁环境中受到了广泛关注。水凝胶以其柔软湿润的特性、生物相容性和可调的力学性能而成为下一代可穿戴隐身设备的理想候选材料[10]、[11]。然而，它们在微波吸收中的应用受到一个基本物理悖论的阻碍：过量水的不受控制的介电性质。水凝胶的聚合物网络通常充满了类似液体的游离水。由于缺乏足够的限制，这些水分子保持高流动性，并在GHz频率范围内表现出高静态介电常数（ε_s ≈ 80）和低介电损耗[12]、[13]。根据传输线理论，这会在界面产生巨大的阻抗差异（Z₀ ≈ 377 Ω），导致大多数入射电磁波被反射而不是被吸收[14]、[15]。

为了解决这个问题，现有的研究策略通常采用添加法，引入高浓度的导电或磁性填料（例如MXenes[16]、[17]、石墨烯[18]、[19]、纳米颗粒[20]、[21]、铁氧体[22]、[23]）来增强电磁损耗。然而，这种方法试图掩盖溶剂的性质而不是调节它们[24]。虽然部分有效，但这种方法存在一些关键缺点。首先，高导电性常常会引起强烈的表面电流（皮肤效应），从而进一步恶化阻抗匹配[25]、[26]。其次，高填料负载会破坏连续的聚合物网络，导致机械性能下降，如脆性和延展性丧失[27]、[28]。最后，先进纳米材料的稀缺性和高成本阻碍了大面积制造的可扩展性[29]、[30]。

在这里，我们提出了一种水合动力学工程策略。我们不依赖重填料的内在损耗，而是利用结构调节剂来主动调节凝胶内水分子的热力学状态。聚合物物理学表明，中间态水（IW）——即在纳米界面处受限的水分子——在微波频段表现出松弛频率和适中的介电常数，非常适合阻抗匹配。在这项工作中，我们通过盐模板法合成了中空盒状氮掺杂碳纳米笼（Fe-CNCs）。结合海藻酸钠/聚丙烯酰胺（SA/PAM）双网络的内在保水能力，Fe-CNCs的特定二维拓扑结构作为二次锚点，进一步优化了水合动力学。这种分层调控在0.1 wt%的极低负载下有效限制了游离水的移动，从而在界面产生极化。这种方法制备出了机械强度高、自支撑的水凝胶吸收剂，实现了优异的宽带吸收（?30.51 dB）和低RCS，证明了有效的溶剂激活优于高填料负载。

实验部分

材料与方法

: 所有试剂均为AR级，按原样使用。Fe-CNCs的合成：将铁(II)酞菁（FePc，0.14 g）分散在乙醇/环己烷混合物（213/43 mL）中，然后加入饱和KCl溶液（19.2 g/53 mL）。在0 °C下搅拌2小时后，收集前体并在Ar气氛中炭化（300 °C 1小时，然后800 °C 2小时）。产品经过洗涤以去除盐模板并干燥，得到Fe-CNCs。SPH-C的制备：使用Fe-CNCs（0.1 ……

形态与结构表征

所提出的设计策略旨在通过调节内部水的水合状态来构建自支撑的水凝胶吸收剂，而不是依赖大量填料。为此，通过两步分层组装方法制备了SPH-C复合材料，如图1所示。首先，合成盐模板化的Fe-CNCs作为“水合锚点”。随后，将这些锚点整合到SA/PAM双网络中，形成最终的宏观SPH-C

结论

总结来说，我们开发了一种水合调节的水凝胶吸收剂，验证了本文提出的“水合动力学工程”策略。通过将双网络基质与微量中空碳锚点（0.1 wt%）协同整合，我们成功调节了历史上限制水凝胶性能的过量游离水。这种分层限制优化了阻抗匹配，实现了?30.51 dB的强反射损耗和主导的Ku波段覆盖（5.44 GHz）。

作者贡献声明

闫曦：研究，数据管理。李林伟：研究，形式分析。张子东：软件。周阳：监督。叶伟平：撰写——原始草稿，方法论，概念化。张月：研究。文涛：软件。黄青：软件，研究。庞青：方法论。赵瑞：撰写——审稿与编辑，监督。王庆元：方法论。薛卫东：项目管理，资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了东莞市关键领域研究与发展计划（20241201300022）和哈尔滨工业大学自然科学基金项目（CSTB2022NSCQ-MSX1572）的财政支持。作者感谢中国电子科技大学的高性能计算平台提供的计算资源。