航空航天與電子設(shè)備發(fā)展使電磁污染加劇，需開發(fā)耐高溫高壓的多功能電磁波吸收材料。聚酰亞胺（PI）具優(yōu)異熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能，是理想基體。單一填料難以滿足高性能需求，近年研究聚焦多組分填料協(xié)同增強(qiáng)。本文結(jié)合五氧化二鈮（Nb?O?）的穩(wěn)定性與碳納米管（CNTs）的高導(dǎo)電性，通過超聲噴涂制備蓬松微球填料（NBCM），再經(jīng)冷凍干燥將其引入PI泡沫，構(gòu)建輕質(zhì)多孔Nb?O?/CNTs/PI（NBCP）復(fù)合材料，系統(tǒng)研究其電磁波吸收、隔熱與抗壓性能。
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圖1. NBCP復(fù)合材料的制備流程。
該標(biāo)題表明圖1展示了NBCP（五氧化二鈮/碳納米管/聚酰亞胺）復(fù)合材料的完整制備步驟，通常包括原料處理、混合、成型及后處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以示意圖或流程圖形式呈現(xiàn)。
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圖2. （a, b）NBCM填料的掃描電鏡圖像；（c, d）NBCM填料的透射電鏡圖像；（e）PI，（f）NBCP-10，（g）NBCP-15和（h）NBCP-30復(fù)合材料的截面掃描電鏡圖像；（i）NBCP-15復(fù)合材料的SEM圖像及（j-m）其EDS元素分布圖。
1. 結(jié)構(gòu)解析：
- 該圖通過多組子圖系統(tǒng)展示不同尺度下的材料形貌與成分信息：
（a-b）呈現(xiàn)NBCM填料的微觀形貌特征
（c-d）提供更高分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息
（e-h）展示復(fù)合材料截面的多孔結(jié)構(gòu)演變
（i-m）聚焦NBCP-15的局部形貌與元素分布
2. 術(shù)語說明：
- SEM（Scanning Electron Microscopy）：掃描電子顯微鏡，用于表面形貌分析
- TEM（Transmission Electron Microscopy）：透射電子顯微鏡，可觀察內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)
- EDS（Energy Dispersive Spectroscopy）：能譜分析，用于元素成分分布檢測
- NBCM：\(\mathrm{Nb_2O_5}\)/CNTs微球填料
- NBCP：\(\mathrm{Nb_2O_5}\)/CNTs/PI復(fù)合材料（數(shù)字代表填料體積分?jǐn)?shù)）
3. 科學(xué)意義：
- 該圖通過多尺度表征手段，系統(tǒng)揭示從填料（NBCM）到復(fù)合材料（NBCP）的結(jié)構(gòu)特征：
* 證明填料在基體中的分散狀態(tài)
* 展示孔隙結(jié)構(gòu)隨填料含量的變化規(guī)律
* 通過元素分布驗證組分均勻性
- 為后續(xù)分析材料性能（如電磁吸收、力學(xué)特性）提供關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)
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圖3. （a）CNT和NBCM填料及（b）PI與NBCP復(fù)合材料的XRD圖譜。
1. 圖示內(nèi)容說明：
- （a）部分：對比CNT與NBCM填料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)差異，可分析CNT在復(fù)合填料中的結(jié)構(gòu)完整性及Nb?O?的結(jié)晶狀態(tài)。
- （b）部分：對比純PI與不同NBCM含量復(fù)合材料的衍射圖譜，可揭示填料引入對聚合物結(jié)晶行為的影響，以及填料在基體中的分散狀態(tài)。
2. 科學(xué)意義：
- 通過XRD可驗證Nb?O?的特征晶相是否成功負(fù)載于CNT表面（a圖）；
- 對比PI與NBCP的圖譜，可判斷填料加入是否改變PI的分子鏈排列或誘導(dǎo)新的結(jié)晶行為；
- 衍射峰強(qiáng)度與寬度的變化可間接反映填料的分散性及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)均勻性。
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圖4. （a）PI與NBCP復(fù)合材料的FTIR光譜及（b-f）NBCP復(fù)合材料的XPS光譜。
1. 圖示內(nèi)容分析
- （a）FTIR光譜：對比純PI與不同NBCM含量復(fù)合材料的紅外吸收峰，可判斷填料與聚合物基體間的化學(xué)相互作用（如氫鍵、配位鍵等），以及官能團(tuán)的變化情況。
- （b-f）XPS譜圖：通過高分辨率譜分析C、O、N、Nb等元素的特征峰，可揭示：
- 復(fù)合材料中化學(xué)鍵的形成（如Nb–O、C–N等）
- 元素價態(tài)及電子環(huán)境的變化
- 填料與基體界面處的化學(xué)相互作用
2. 科學(xué)意義
- FTIR：驗證復(fù)合材料中各組分的成功復(fù)合，并檢測可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用。
- XPS：從表面化學(xué)角度揭示填料與聚合物間的界面結(jié)合機(jī)制，為解釋材料性能（如界面極化增強(qiáng)電磁損耗）提供化學(xué)結(jié)構(gòu)依據(jù)。
- 結(jié)合兩者可全面解析復(fù)合材料的多尺度化學(xué)結(jié)構(gòu)特征。
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圖5. (a) TGA曲線, (b) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線, (c) 熱紅外圖像, (d) PI和NBCP復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與壓縮模量, 以及(e) NBCP復(fù)合材料的光學(xué)照片。
1. 科學(xué)意義
- 多性能關(guān)聯(lián)分析：將熱學(xué)、力學(xué)、隔熱性能集中呈現(xiàn)，體現(xiàn)材料"多功能一體化"特點
- 結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)：結(jié)合圖2-4的結(jié)構(gòu)表征，可建立多孔結(jié)構(gòu)/界面設(shè)計與性能的構(gòu)效關(guān)系
- 應(yīng)用導(dǎo)向表征：熱紅外圖像直接模擬實際隔熱場景，壓縮性能數(shù)據(jù)支撐結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用需求
此圖是評估復(fù)合材料工程應(yīng)用價值的關(guān)鍵性能匯總圖，通過多維度數(shù)據(jù)驗證其滿足電磁波吸收材料在熱管理、力學(xué)承載方面的協(xié)同需求。
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圖6. （a, b）PL、NBCP-10、NBCP-15及NBCP-30復(fù)合材料的復(fù)合介電常數(shù)，（c）介電損耗角正切，（d）電導(dǎo)率。
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術(shù)語解析
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復(fù)合介電常數(shù)：由實部（ε′）和虛部（ε″）組成，是描述介質(zhì)材料電磁特性的核心參數(shù)。
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介電損耗角正切：tan δ = ε″/ε′，值越大表明介電損耗能力越強(qiáng)。
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電導(dǎo)率：反映材料中載流子遷移能力，影響電磁波的歐姆損耗。
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NBCP-10/15/30：數(shù)字代表NBCM填料的體積分?jǐn)?shù)（如15%），用于研究填料含量對電磁參數(shù)的調(diào)控規(guī)律。
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科學(xué)意義
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構(gòu)效關(guān)系分析：通過對比不同填料含量的數(shù)據(jù)，可明確NBCM含量對介電性能與導(dǎo)電行為的調(diào)控作用。
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損耗機(jī)制闡釋：結(jié)合ε″、tan δ與電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，可區(qū)分界面極化、偶極子弛豫及導(dǎo)電損耗的貢獻(xiàn)。
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阻抗匹配設(shè)計基礎(chǔ)：介電參數(shù)是計算材料阻抗匹配特性的直接輸入，為優(yōu)化吸波性能提供依據(jù)。
該圖是分析復(fù)合材料電磁波吸收機(jī)理的核心數(shù)據(jù)組，通過介電譜與電導(dǎo)率的關(guān)聯(lián)分析，可揭示多組分、多孔結(jié)構(gòu)對電磁損耗能力的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制。
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圖7. （a）PI、（b）NBCP-10、（c）NBCP-15及（d）NBCP-30復(fù)合材料的Cole-Cole圖。
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Cole-Cole圖說明
Cole-Cole圖（又稱介電弛豫譜圖）是以復(fù)數(shù)介電常數(shù)虛部（ε″）為縱坐標(biāo)、實部（ε′）為橫坐標(biāo)繪制的曲線，用于分析材料的介電極化弛豫行為。圖中每個半圓或弧段通常對應(yīng)一種弛豫過程。
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術(shù)語與內(nèi)容解析
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PI：聚酰亞胺基體，作為對比參照。
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NBCP-10/15/30：表示含不同體積分?jǐn)?shù)NBCM填料的復(fù)合材料。
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圖示內(nèi)容：通過對比四組材料的Cole-Cole圖形狀、半圓數(shù)量及曲率半徑，可推斷：
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界面極化、偶極子極化等弛豫機(jī)制的存在與強(qiáng)弱；
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填料含量對極化行為的調(diào)控規(guī)律；
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材料微觀結(jié)構(gòu)的均勻性與界面特性。
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科學(xué)意義
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揭示損耗機(jī)制：多個分離或重疊的半圓暗示存在多重極化弛豫（如Nb?O?/CNTs界面極化、PI鏈段偶極弛豫等），是增強(qiáng)介電損耗的重要途徑。
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評價結(jié)構(gòu)均勻性：理想的半圓形狀反映弛豫過程集中；變形或傾斜的弧段可能源于填料分散不均或?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)形成的漏導(dǎo)效應(yīng)。
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優(yōu)化填料設(shè)計：通過比較不同填料含量下的圖譜變化，可為平衡極化損耗與阻抗匹配提供依據(jù)。
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應(yīng)用關(guān)聯(lián)
該圖結(jié)果可與圖6的介電參數(shù)結(jié)合，深入解釋復(fù)合材料在特定頻段（如X波段）的電磁損耗特性，為理解“多孔結(jié)構(gòu)-多相界面-弛豫損耗”的構(gòu)效關(guān)系提供關(guān)鍵證據(jù)。
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圖8. （a）PI、（b）NBCP-10、（c）NBCP-15及（d）NBCP-30復(fù)合材料的二維阻抗匹配等高線圖。
1. 圖示內(nèi)容說明
該圖以二維等高線形式展示材料阻抗匹配特性，通常以頻率和厚度為坐標(biāo)軸，顏色深淺表示阻抗匹配程度（越接近理想值1表示匹配越好）。
2. 科學(xué)意義
- 量化匹配性能：直接對比不同復(fù)合材料在全頻段（如X波段）的阻抗匹配水平，揭示填料含量對匹配特性的調(diào)控規(guī)律。
- 指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計：通過識別圖中高匹配區(qū)域（顏色接近1的區(qū)域），可優(yōu)化材料厚度與工作頻段的設(shè)計。
- 協(xié)同損耗機(jī)制：結(jié)合圖6-7的損耗參數(shù)，可綜合分析“匹配-損耗”協(xié)同作用，解釋NBCP-15性能最優(yōu)的原因。
3. 應(yīng)用價值
該圖為電磁波吸收材料的工程應(yīng)用提供關(guān)鍵設(shè)計依據(jù)：
- 快速確定材料的最佳適用厚度與頻段；
- 評估復(fù)合材料在寬頻帶的阻抗兼容性；
- 驗證多孔結(jié)構(gòu)、多相填料對改善阻抗匹配的貢獻(xiàn)。
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圖9. （a）、（c）、（e）、（g）PI、NBCP-10、NBCP-15及NBCP-30復(fù)合材料的三維反射損耗曲線；以及（b）、（d）、（f）、（h）對應(yīng)的二維反射損耗曲線。
1. 內(nèi)容說明
該圖通過三維（3D）和二維（2D）兩種形式展示不同厚度和頻率下復(fù)合材料的反射損耗（RL）性能：
-3D曲線（a, c, e, g）：以頻率、厚度為橫縱坐標(biāo)，RL值為高度坐標(biāo)，直觀呈現(xiàn)材料在全參數(shù)空間內(nèi)的吸波性能分布。
- 2D曲線（b, d, f, h）：固定厚度或頻率，展示RL隨單一變量的變化趨勢，便于定量分析最優(yōu)吸收點。
2.科學(xué)意義
- 性能對比：直觀對比不同填料含量復(fù)合材料（PI、NBCP-10/15/30）的吸波性能差異，明確NBCP-15的最優(yōu)表現(xiàn)。
- 參數(shù)優(yōu)化：通過3D圖識別RL谷值對應(yīng)的最佳厚度與頻率組合，為材料設(shè)計提供參數(shù)指導(dǎo)。
-寬頻帶分析：2D曲線可清晰顯示有效吸收帶寬（EAB），評估材料在寬頻范圍的適用性。
3.應(yīng)用關(guān)聯(lián)
該圖是直接評價吸波材料工程性能的核心圖示，可與圖8的阻抗匹配結(jié)果結(jié)合，完整揭示“阻抗匹配-損耗能力”共同決定的最終吸波效果，為材料在具體頻段（如X波段）的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。
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圖10. 本研究制備的復(fù)合材料與相關(guān)復(fù)合材料的電磁波吸收性能對比。
1. 內(nèi)容說明
該圖以表格或圖示形式，將本研究制備的NBCP復(fù)合材料（如NBCP-15）與文獻(xiàn)中報道的其他吸波材料（如不同填料體系、聚合物基復(fù)合材料等）的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)對比。
2. 典型對比維度
- 吸收強(qiáng)度：最小反射損耗（RLmin）
- 吸收帶寬：有效吸收帶寬（EAB，通常以RL ≤ -10 dB為標(biāo)準(zhǔn)）
- 厚度：達(dá)到最優(yōu)性能時的材料厚度
- 密度/輕質(zhì)性：材料單位體積重量
- 多功能性：如隔熱性、力學(xué)強(qiáng)度等附加性能（若涉及）
3. 科學(xué)意義
- 定位研究水平：通過橫向?qū)Ρ龋陀^評估本工作所研制材料在領(lǐng)域內(nèi)的性能位置與優(yōu)勢。
- 突顯創(chuàng)新點：突出NBCP復(fù)合材料在**薄厚度、強(qiáng)吸收、寬頻帶**或**多功能集成**方面的綜合優(yōu)勢。
- 揭示構(gòu)效關(guān)系：通過對比不同材料體系的性能差異，間接印證“多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計”“多組分填料協(xié)同”等策略的有效性。
4. 應(yīng)用價值
為讀者及潛在應(yīng)用方提供直觀的性能參照，說明本材料在**實際電磁屏蔽或吸波場景中**的競爭力與適用性。
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圖11. （a）-（d）PI與NBCP復(fù)合材料的RCS曲線三維圖及（e）NBCP-15涂層（紅色）與金屬表面（藍(lán)色）的極坐標(biāo)圖。
1. **術(shù)語釋義**
- **RCS**：雷達(dá)散射截面，是表征目標(biāo)對雷達(dá)波散射能力的物理量，其數(shù)值越小代表目標(biāo)對雷達(dá)波的反射越弱，隱身性能越好。
- **三維圖**：常以頻率、觀測角度和RCS值為坐標(biāo)軸，立體展示材料在不同電磁波入射條件下的散射特性。
- **極坐標(biāo)圖**：在極坐標(biāo)系中展示某一頻點下RCS隨觀測角度的變化，直觀對比涂層與金屬基底的散射差異。
2. **圖示內(nèi)容說明**
- **（a-d）**：分別展示PI（基體）及不同NBCM填料含量復(fù)合材料的RCS三維分布，反映填料對降低材料雷達(dá)波散射的整體效果。
- **（e）**：以極坐標(biāo)形式對比涂覆NBCP-15的材料表面與裸露金屬表面的RCS方向特性，紅色區(qū)域收縮程度直接體現(xiàn)涂層的雷達(dá)波散射衰減能力。
3. **科學(xué)意義**
- **量化隱身性能**：通過RCS減縮值（如原文所述的85%）客觀評價復(fù)合材料在模擬雷達(dá)波照射下的實際隱身效果。
- **角度特性分析**：極坐標(biāo)圖揭示涂層在不同入射角度下的散射穩(wěn)定性，對實際應(yīng)用中多角度探測場景具有重要意義。
- **驗證機(jī)理有效性**：RCS降低直接證明材料“吸收為主、散射為輔”的電磁波耗散機(jī)制成功實現(xiàn)。
4. **應(yīng)用關(guān)聯(lián)**
此圖為材料在**雷達(dá)隱身技術(shù)**中的潛在應(yīng)用提供關(guān)鍵實驗依據(jù)，證明NBCP復(fù)合材料不僅具備實驗室尺度的吸波性能，更能實現(xiàn)工程尺度的散射衰減，滿足實戰(zhàn)化隱身材料對寬角度、強(qiáng)衰減的需求。
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圖12. NBCP復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)理示意圖。
1. **內(nèi)容說明**
該圖通過示意圖形式，系統(tǒng)闡述NBCP復(fù)合材料中電磁波被吸收和耗散的多重物理機(jī)制，通常結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀電磁響應(yīng)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。
2. **典型機(jī)理呈現(xiàn)維度**
- **傳導(dǎo)損耗**：CNTs等導(dǎo)電組分形成的三維網(wǎng)絡(luò)通過歐姆損耗將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。
- **介電弛豫與極化損耗**：
- 界面極化：Nb?O?/CNTs、填料/基體等多相界面處的電荷積累與弛豫；
- 偶極子極化：PI分子鏈極性基團(tuán)及缺陷偶極子在交變電場下的轉(zhuǎn)向滯后。
- **多重反射與散射**：材料內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)延長電磁波傳播路徑，通過反復(fù)反射/散射增強(qiáng)能量衰減。
- **阻抗匹配機(jī)制**：多孔結(jié)構(gòu)及組分設(shè)計優(yōu)化材料表面阻抗，促進(jìn)電磁波入射而非反射。
3. **科學(xué)意義**
- **系統(tǒng)闡釋性能根源**：將材料優(yōu)異的吸波性能（如RLmin = -41.66 dB）歸因于多機(jī)制協(xié)同作用，超越單一機(jī)理的局限性。
- **關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)與性能**：通過示意圖直觀呈現(xiàn)“多孔結(jié)構(gòu)-多相界面-導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)”與不同損耗機(jī)制的對應(yīng)關(guān)系。
- **指導(dǎo)材料設(shè)計**：為后續(xù)優(yōu)化復(fù)合材料（如調(diào)節(jié)孔隙率、界面設(shè)計、組分比例）提供理論框架。
4. **研究價值**
此類機(jī)理圖是高水平研究論文的核心要素之一，不僅深化對當(dāng)前材料體系的理解，更為開發(fā)新型多功能吸波材料提供普適性設(shè)計策略。
**注**：電磁波吸收機(jī)理的圖示化闡釋是連接材料實驗表征與性能優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于建立可推廣的“結(jié)構(gòu)-功能”設(shè)計原則。
本研究成功制備輕質(zhì)多孔NBCP復(fù)合材料，兼具高效電磁波吸收、優(yōu)異隔熱與抗壓性能。多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化阻抗匹配，多相填料增強(qiáng)介電損耗，使NBCP-15在2.09 mm厚度下反射損耗達(dá)-41.66 dB，吸收帶寬2.63 GHz，雷達(dá)截面縮減85%。材料在150℃環(huán)境隔熱溫差超100℃，壓縮強(qiáng)度與模量分別達(dá)1629.81 kPa與2037.27 kPa。該工作為開發(fā)適用于嚴(yán)苛環(huán)境的多功能電磁波吸收材料提供了新策略。https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110531
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
