隐身技术在现代军事中扮演着至关重要的角色，隐形装备能够使飞机、舰艇和车辆在敌方雷达探测下减少甚至消除其探测信号，从而保证军事行动成功率。其中，结构-吸波一体化材料是未来隐身技术发展的一个重要方向，这种材料不仅能够承受极端环境下的力学负载，还能够在GHz频段上提供优异的电磁波吸收性能，从而大大提高军事装备生存能力。
碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀、高导电等优点，被广泛运用于航空航天、汽车工业、风电叶片、电子等行业，碳纤维巨量的应用也带来了回收再利用的问题。北京化工大学贾晓龙教授、杨小平教授团队从2014年开始关注碳纤维的回收再利用问题，并与美国波音公司合作致力于开发碳纤维高效、高值化回收再利用技术，通过合理利用再生碳纤维优异的机械性能、导电、导热性能，开发了一系列结构-功能一体化再生碳纤维复合材料。前期，该研究团队通过对再生碳纤维表界面改性，同步提高了其复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987.）。在此基础上，进一步研究了再生碳纤维排列方式对电磁屏蔽的影响规律，并通过取向和铺层设计实现了其复合材料的高效电磁屏蔽性能（Composites Part B: Engineering, 2021, 211, 108656.）。此外，该团队还以吸波隐身为研究目标，采用低成本的再生碳纤维作为基材，通过简单的自组装和自催化热解制备得到1D@2D@1D多级异质结构，实现了再生碳纤维复合材料的超高微波吸收效率（Small, 2022, 18(13): 2105411. ESI高被引论文）。
然而，吸波性能和力学性能通常存在相互制约关系，吸波材料的机械强度难以满足当前恶劣环境许用要求，极大地限制了其应用场景。这是由于“轻、薄、宽、强”的吸波性能要求微纳填料具有丰富孔隙并在基体中以高负载量填充，以满足良好的阻抗匹配和强的电磁损耗能力，这导致复合材料界面结合差、脆性大、易断裂，因此结构-吸波一体化复合材料的设计与制备仍然是亟需解决的技术难题。
基于此，北京化工大学贾晓龙教授、杨小平教授团队报道了一种界面电荷运动介导的极化强度调控策略，通过引入氧化锌纳米线界面相以协同改善再生碳纤维复合材料的阻抗匹配、提高电磁损耗能力、增强界面结合，并基于再生碳纤维表面化学官能团调控来强化再生碳纤维-氧化锌异质界面极化强度，从而协同提升了极化损耗能力和界面键合强度，解决了吸波性能和力学性能间的矛盾，实现了复合材料结构-吸波一体化，拓展了吸波材料的应用场景，提升了再生碳纤维复合材料的再利用价值。相关研究成果以“Charge Dynamics Engineering Sparks Hetero-Interfacial Polarization for an Ultra-Efficient Microwave Absorber with Mechanical Robustness”为题发表在了《Small》上，并被选为期刊内封。合肥工业大学电气学院讲师还献华为第一作者，通讯作者为北京化工大学材料学院贾晓龙教授。
一、表面化学官能团介导的异质结构界面电荷调控策略
再生碳纤维-氧化锌纳米线异质结构制备路线及异质界面电荷运动如下图所示（图1a）。通过表面等离子体处理可以调控再生碳纤维表面化学官能团(图1b-d)，提高含氧官能团含量。等离子体处理前后的再生碳纤维表面均能均匀负载氧化锌纳米线阵列，再生碳纤维-氧化锌纳米线异质结构形貌均一（图1e-l）。
图1. 再生碳纤维-氧化锌纳米线异质结构制备及界面电荷调控策略示意图（a）、碳纤维表面化学官能团及形貌结构表征(b-l)
二、结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料的吸波性能
得益于氧化锌纳米线界面相的阻抗匹配调谐作用及异质界面极化损耗，ZnO@CF复合材料表现出比CF复合材料更加优异的吸波性能。而经过表面等离子处理后的ACF与氧化锌之间的界面极化损耗大大增强，因此ZnO@ACF复合材料在1.5mm的厚度下实现了-55.3dB的吸波性能，并实现了5.0GHz的有效吸收频宽（图2i）。
图2.结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料电磁参数（a-c）及吸波性能表征(d-i)
三、结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料吸波机理
从阻抗匹配特性分析可以看出，氧化锌纳米线界面相的引入大大改善了碳纤维复合材料的阻抗匹配特性（图3a），并在10GHz附近形成显著的德拜弛豫效应（图3c,d）。此外，结合电磁参数(图2b,c)及电磁衰减性能（图3b）分析，可以发现相比于形貌、组成相似的ZnO@CF复合材料，ZnO@ACF复合材料具有更高的介电常数虚部，且代表极化损耗的Cole-Cole半圆直径更大，表明ZnO@ACF复合材料具有更强的极化损耗能力。
图3. 结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料阻抗匹配特性及电磁衰减性能
这种极化损耗源自于再生碳纤维-氧化锌异质界面自发极化，由于界面两相功函数的差异，形成紧密接触界面电荷会自发运动从而达到费米能级平齐，此时界面能带发生弯曲形成势垒阻碍了电荷的进一步运动，因此形成了界面空间电荷分布（图4a），这种界面空间电荷分布在交变的电磁波下反复运动形成界面极化损耗。根据密度泛函理论计算可以发现，具有较多含氧官能团的再生碳纤维具有更高的功函数，界面差分电荷密度分析也表明了ZnO@ACF具有更不均匀的界面电荷分布（图4b-d）,阐明了ZnO@ACF增强的界面极化损耗机制。
图4. 结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料异质界面电荷运动调控机制
四、结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料界面结合性能
界面结合是影响复合材料力学性能的关键因素。基于原子力显微镜的粘附力表征分析表明，ZnO与ACF之间具有更高的界面粘附力（图5a-d），这源自于界面电荷运动介导的界面极化强度的增强。微脱粘测试及界面脱粘形貌表明，ZnO@ACF与树脂基体具有最高的界面结合强度（97.5MPa），相比于未经改性的再生碳纤维提高了57%，这得益于氧化锌纳米线增强的界面机械互锁效应（图5e-l）。
图5. 结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料界面粘附力（a-d）与界面结合强度表征（e-l）
小结：这项工作提出了一种界面电荷运动介导的极化强度调控策略，协同提升了极化损耗能力和界面键合强度,实现了超高的吸波效率和界面结合强度，为结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料的设计提供了新视角。
图6 结构-吸波一体化再生碳纤维复合材料吸波效率对比及综合性能雷达图
该研究受到国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、北京自然科学基金（No. 2192044）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、有机无机复合材料国家重点实验室开放课题（No. Oic-202001008、Oic-202101008, Oic-202201007）等项目资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202306104
