每一次雷达脉冲、5G传输和电力电子开关事件都会向空气中释放大量微波，这些微波会干扰传感器、破坏通信，在军事环境中甚至会暴露目标的位置。通常的防御方法是屏蔽：用金属包裹敏感设备，并将辐射反射出去。但反射只是转移了问题，将能量重新送回环境中，或者直接反射回敌方的接收器。现在，中德两国的材料科学家报告了一种柔性布状薄膜，其设计目的恰恰相反——它能够吸收微波并将其摧毁。在发表于《材料科学杂志》（JournalofMaterialsScience）的一项研究中，广东技术师范大学的研究人员与埃尔兰根-纽伦堡大学及其合作机构的同事合作，表明将稀土化合物氧化钆分散到镀镍织物上的聚脲涂层中，可以形成一个可调节的“旋钮”，用于精确控制材料吸收电磁辐射的位置和程度。
微波吸收的物理原理如同走钢丝一般复杂。入射波要被吸收而不是反射，首先必须顺利穿过空气和材料之间的界面，这一条件由工程师所说的阻抗匹配决定。自由空间具有一个特征电磁阻抗（约为377欧姆），如果材料的输入阻抗与该值偏差过大，无论材料内部损耗有多大，电磁波都会像光被窗户反射一样被表面反射。导电添加剂（例如，碳纳米管、羰基铁或金属涂层）可以提高复合材料耗散电磁能量的能力，但同时也会降低其阻抗，并加深表面阻抗不匹配。因此，理想的吸收体必须兼顾两个相互矛盾的要求：外部允许电磁波进入，内部则阻止电磁波逸出。在柔性织物系统中，这种平衡尤为关键，因为赋予此类材料导电性的金属化织物通常富含金属，导致反射占据绝对优势。控制表面反射是区分普通屏蔽层和真正吸收层的关键所在，而这正是这项新研究的目标所在。
这种新型薄膜采用三明治结构来解决这一难题。其核心是镀镍织物，这是一种普通的纺织品，通过在纤维上沉积金属镍而转化为导电支架。研究人员在织物的两面涂覆了聚脲层，聚脲是一种弹性体，由异氰酸酯与含胺化合物反应生成；其聚合物链通过脲基之间的密集氢键连接在一起，这正是聚脲涂层在防爆、抗冲击和防腐蚀应用中表现出卓越韧性的原因。研究团队将氧化钆（Gd2O3）分散到聚脲基质中，氧化钆是一种陶瓷粉末，其镧系元素电子结构赋予了它独特的介电特性。最终形成了一种三层复合材料，其中连续的、有损耗的介电表层覆盖在导电织物骨架上。这种几何形状增加了内部界面——粒子与聚合物之间，以及聚合物与金属之间——电荷在这些界面上积累，并在经过的微波的影响下振荡，在每个周期中从波中消耗能量。
在进行任何微波测量之前，研究小组首先验证了化学反应能否顺利进行。结构表征证实，氧化钆确实已融入聚脲中，而非以异相形式存在；聚合物层在织物的两面保持连续；层间界面完整无损——这种结构完整性是可预测电磁行为的基础。界面并非无关紧要的细节：在损耗性复合材料中，相界正是电荷积累的地方，因此脱粘或不连续的层会使设计所依赖的机制失效。对于一种旨在穿戴、覆盖或折叠的材料而言，同样重要的是，这些薄膜保持了70兆帕以上的拉伸强度，这一数值与某些刚性工程塑料相当。如果吸收材料在第一次弯曲时就开裂，那么它在服装、飞机蒙皮或柔性电子设备外壳中就几乎毫无用处。这些薄膜保持了研究者所描述的适用于柔性电磁应用的机械完整性水平，从而将两种通常难以共存的特性完美地结合在一起。
电磁分析揭示了该研究的核心发现：氧化钆表现为介电调节剂，而非磁性调节剂。在微波工程中，材料的响应由两个复数描述——介电常数和磁导率。介电常数描述材料在振荡电场中的极化方式，而磁导率描述材料对磁场的响应方式。随着氧化钆含量的增加，膜的介电参数发生了可测量的变化，而其磁响应几乎没有变化。其机制源于极化。在氧化物颗粒与周围聚脲之间的每个界面处，电荷不均匀地堆积，产生界面极化（或称麦克斯韦-瓦格纳极化），这种极化滞后于微波的传播，并将能量以热的形式耗散。氧化钆晶格内部和聚合物脲基中的偶极子也贡献了各自的能量，而少量的传导损耗则使整个过程更加完整。简而言之，这种添加剂改变了材料储存和消耗电能的方式，同时基本保持了其磁性不变。
这种介电调谐恰好出现在吸收体设计者所期望的位置：阻抗匹配窗口。对于任何微波吸收体，在频率—厚度图上都存在一个区域，在该区域内材料的输入阻抗接近自由空间的阻抗，使得波能够以最小的反射进入；该区域的大小和位置决定了给定厚度的材料能够实际吸收哪些频率。研究人员发现，这个窗口会随着材料的成分而系统性地变化。改变氧化钆的含量并非仅仅增强吸收——它还会重新定位并重塑频率—厚度图上波能够进入的区域。其数学原理与传输线理论中的原理类似。由于镀镍织物背衬会反射所有穿过聚脲层的能量，因此进入材料的波会传播到金属层并返回，当膜的厚度接近材料内部波长的四分之一时，返回的波会与自身新反射的部分发生相消干涉。通过调节膜的介电常数，研究团队有效地重新定位了四分之一波长干涉和表面匹配相互作用以吸收最大功率的位置。
有趣的是，这并非简单的剂量—反应关系。衰减常数（衡量波在材料中传播衰减速度的指标）并未随着氧化钆添加量的增加而单调递增。这在复合材料设计中是一个常见的警示：过量的填料会聚集形成团聚体，稀释聚合物自身的损耗通道，或加剧表面不匹配，因此填料含量与损耗之间的关系很少是直线。这也提醒我们，在这些薄膜中，损耗与氧化物构建的介电结构密切相关，而非填料含量的简单函数。然而，更高的填料含量却带来了更有价值的东西。反射损耗图（绘制入射波在不同频率和厚度组合下衰减程度的等值线图）显示，富钆薄膜产生了更深、更连续的吸收谷，其变化规律随厚度变化而有序且可预测。这种厚度鲁棒性在实践中很重要，因为现实世界中的吸声器几乎从来不会按照模拟假设的精确厚度进行部署；能够承受较小厚度误差的声谷，是工程师实际可以建造的声谷。
该系列中最突出的配方是负载量最高的薄膜，它被命名为Gd75-PU@NiF。它在阻抗匹配响应方面表现出最显著的提升，并且在所有测试成分中拥有最宽的负反射损耗区域——这意味着在最宽的频率—厚度范围内，流入薄膜的电磁能量比从其表面反射的能量更多。按照吸收领域的标准惯例，反射损耗低于-10分贝意味着至少90%的入射功率被吸收，这是区分实验室研究成果和实用吸收器的阈值。这一成果的意义不在于一个破纪录的数字，而在于对控制的展示：单一变量——氧化物负载量——可以稳定地控制吸收曲线的集中位置、吸收谷的连续性以及材料对制造公差的容忍度。
这项工作处于两个鲜少合作的研究方向的交汇点。稀土氧化物（例如，氧化铈）因其能够调控微波吸收材料的介电响应而备受关注，而氧化钆在柔性光电复合材料领域也展现出良好的应用前景。与此同时，聚脲因其抗冲击性、抗爆性和自修复性能而备受推崇，但很少被用于电磁防护。将这两种材料结合在金属化纺织品上，可以得到一种它们各自都无法单独实现的特性：一种机械强度高、可折叠、可裁剪、可缝制并能贴合曲面的吸收材料。论文合著者中包括一家防水材料公司，这表明如果后续开发出微波吸收型聚脲涂层，该涂层将拥有成熟的工业应用前景。其潜在应用范围广泛，包括可穿戴电子设备、电动汽车和高密度服务器机架中的电磁干扰抑制，以及飞机雷达吸波处理、消声室衬里和高功率发射机附近工作人员的防护织物。由于吸收（与屏蔽不同）是从环境中去除能量，而不是将其反弹到其他地方，因此这类材料从源头上解决了日益严重的电磁污染问题。
在电磁频谱日益拥挤的今天——雷达、卫星链路、无线电力传输和速度不断提升的蜂窝标准充斥其中——能够按需指定织物状材料吸收辐射的位置，无疑是一项意义重大的进步。本文所述的薄膜目前仍处于实验室阶段，要将其转化为产品，还需要在规模化、耐久性、环境适应性和成本控制等方面进行研究。但其传递的信息却十分明确：只要添加合适的稀土元素，未来的纺织材料就不仅能够屏蔽微波辐射，还能悄无声息、可调谐地吸收微波辐射，而且不会出现任何开裂。
（来源：中国航空报）
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