研究背景

随着电子信息产业的快速发展，电子元器件的小型化、集成化、高频化和高功率化使得电气设备中电磁泄露和高温红外辐射问题日益突出，尤其在军事防护领域，极易造成信息泄露和红外暴露。传统的电磁屏蔽材料通常具备较高的导电性能。然而，较高的导电性能易引起材料与空气之间产生严重的阻抗失配；这将导致大量的电磁波被反射回原介质中造成二次电磁污染，严重干扰相邻电子设备的正常运行。因此，开发兼具低反射电磁屏蔽/红外隐身的电磁防护材料具有重要的应用价值。

Hierarchical Polyimide Nonwoven Fabric with Ultralow-Reflectivity Electromagnetic Interference Shielding and High-Temperature Resistant Infrared Stealth Performance

Xinwei Tang, Yezi Lu, Shuangshuang Li, Mingyang Zhu, Zixuan Wang, Yan Li, Zaiyin Hu, Penglun Zheng, Zicheng Wang*, Tianxi Liu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 82

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01590-3

本文亮点

1. 采用碱处理、磁性颗粒原位生长和“自活化”化学镀银工艺制备了层级聚酰亚胺纤维复合材料。

2. 层级阻抗匹配结构的合理构筑能够有效促进更多电磁波进入材料内部并进行高效耗散。

3. 蓬松三维空间隔热结构的形成和超低的表面红外发射率协同赋予复合材料以优异的红外隐身性能。

内容简介

江南大学刘天西教授等开发了一种具有超低反射电磁屏蔽和耐高温红外隐身性能的层级聚酰亚胺纤维复合材料。在本研究中，首先通过原位“自活化”化学镀银工艺实现强粘结粗化表面聚酰亚胺纤维的高效金属化，获得强电磁反射能力、低红外发射率和长耐久性的电磁反射/红外隐身层(PA)；通过原位络合磁性颗粒和原位“自活化”化学镀银工艺制备得到具有高效电磁耗散、隔热和耐高温性能的电磁匹配/红外隔热层(PFA)，后经“粘接”组装得到层级阻抗型聚酰亚胺纤维复合材料。层级阻抗匹配结构的高效构筑使其在8.2 - 40 GHz宽频范围内展示出超高的电磁屏蔽性能(> 77 dB)和低反射系数(< 0.24)。此外，复合材料蓬松三维空间隔热结构的形成和超低的表面红外发射率(𝛆3-5 = 0.36，𝛆8-14 = 0.43)赋予其在沙地昼夜环境下优异的红外隐身性能；更重要的是，原位络合磁性颗粒和原位“自活化”化学镀银工艺能够有效促进强粘结复合界面的形成，进而增强其耐高温红外隐身性能。

图文导读

I 层级聚酰亚胺纤维复合材料的制备及表征

首先通过原位“自活化”化学镀银工艺实现强粘结粗化表面聚酰亚胺纤维的高效金属化，获得强电磁反射能力、低红外发射率和长耐久性的电磁反射/红外隐身层(PA)；通过原位络合磁性颗粒和原位“自活化”化学镀银工艺制备得到具有高效电磁耗散、隔热和耐高温性能的电磁匹配/红外隔热层(PFA)，后经“粘接”组装得到层级阻抗型聚酰亚胺纤维复合材料。

图1. PFA/PA纤维复合材料的制备流程图。

SEM分析表明纳米颗粒均匀的负载在聚酰亚胺纤维的表面，并且纳米粒子的含量可通过调控反应时间实现有效调节。元素能谱的结果(图 2j-l)进一步表明Ag和Fe元素被成功的负载在聚酰亚胺纤维表面。 

图2. (a)PAₓ，(e)PFA₀和(i)PFAy的示意图。(b)PA₁，(c)PA₁.₅，(d)PA₂，(f)PFA₀，(g)和(j)PFA₁，(h)PFA₂纤维的SEM图像。(k、l)PFA₁纤维EDS图像。

II 层级聚酰亚胺纤维复合材料的低反射电磁屏蔽性能

为了阐明阻抗匹配结构对低反射电磁屏蔽性能的贡献，通过控制电磁波的入射方向来研究其电磁屏蔽性能的变化。当电磁波入射方向为4*PFA₁/PA₁.₅时，其在8.2 - 12.4 GHz范围内表现出低反射电磁屏蔽性能(SET = 77 dB, R = 0.09)。当电磁波入射方向为PA₁.₅/4*PFA₁时，其表现出高反射的电磁屏蔽性能(SET = 77 dB, R = 0.99)。这表明复合材料内部阻抗匹配结构的合理构筑能够促进低反射电磁屏蔽性能的有效实现。

图3. 电磁波不同入射方向条件下4*PFA₁/PA₁.₅和PA₁.₅/4*PFA₁的(a，b)电磁屏蔽性能及其对应的(c)功率系数图；(d)电磁屏蔽性能演示：发射器和接收器之间(e)无样品、(f)PA₁.₅/4*PFA₁、(g)4*PFA₁/PA₁.₅插入时电磁屏蔽系统的变化。

所有温度高于绝对零度的物体都会持续产生热辐射，特别是电子设备运作时所产生的高温热辐射，很容易被红外探测器所探测到。因此，需要设计和制造一种耐高温红外隐身材料以抑制目标热源的红外辐射。结合PFA蓬松三维空间隔热结构的有效构筑和PA超低的红外发射率(𝛆3-5 = 0.36，𝛆8-14 = 0.43)特性，使得4*PFA₁/PA₁.₅即使处在250 ℃高温热台上时，仍能够表现出优异的红外隐身性能。另外，4*PFA₁/PA₁.₅具有优异的环境适应性，即使在沙漠昼夜环境中仍保持较低的辐射温度。

图4. (a)PAₓ的红外发射率曲线；(b)4*PFA₁/PA₁.₅在150、200、250 ℃热台上的红外成像图；(c)4*PFA₁/PA₁.₅在150 ℃热台上的表面实际温度和红外辐射温度曲线；(d)模拟沙漠环境示意图；(e)不同热源温度下4*PFA₁/PA₁.₅的红外成像图；(f)4*PFA₁/PA₁.₅在手掌上昼夜环境下的红外成像图。

III 层级聚酰亚胺纤维复合材料的低反射电磁屏蔽性能/红外隐身兼容特性

随着通信技术的不断升级，电气设备的工作频率逐渐向更高频率范围转移。得益于4*PFA₁/PA₁.₅优异的阻抗匹配性能，其在8.2 - 40 GHz宽频范围内表现出超低的电磁反射特性(R < 0.24)和超高的电磁屏蔽性能(SET > 77 dB)。同时，其在10.3 - 12.4 GHz 和13.2 - 35.7 GHz 范围内表现出宽带微波吸收性能(< -10 dB)。此外，通过无线投屏器演示也成功证实4*PFA₁/PA₁.₅具备优异的电磁屏蔽和红外隐身兼容特性。

图5. 4*PFA₁/PA₁.₅在8.2 - 40 GHz的(a)电磁屏蔽性能，(b)功率系数，(c)反射率；(d)4*PFA₁/PA₁.₅的低反射电磁屏蔽机理示意图；(e - h)4*PFA₁/PA₁.₅的电磁屏蔽和红外隐身兼容性能演示。

4*PFA₁/PA₁.₅以其优异的低反射电磁屏蔽和红外隐身性能使其在军用帐篷中具备广阔的应用前景。如图6所示，其能够有效屏蔽军用帐篷中电子设备运行过程中产生的电磁泄漏，防止敌方监听；同时减少电子设备因传统电磁屏蔽帐篷高电磁反射所造成的二次电磁污染/干扰。此外，4*PFA₁/PA₁.₅能够高效屏蔽来自帐篷外敌方发射的电磁干扰。更重要的是，4*PFA₁/PA₁.₅优异的红外隐身性能亦能够减少寒冷环境中军事装备/人员红外暴露可能性，并实现军事装备/人员在寒冷环境下的高效红外隐身。  

图6. 4*PFA₁/PA₁.₅兼容型低反射电磁屏蔽和红外隐身性能可能的应用场景示意图。

IV 总结

本研究通过原位“自活化”化学镀银工艺成功实现强粘结粗化表面聚酰亚胺纤维的高效金属化，获得强电磁反射能力、低红外发射率和长耐久性的电磁反射/红外隐身层；通过原位络合磁性颗粒和原位“自活化”化学镀银工艺制备得到具有高效电磁耗散、隔热和耐高温性能的电磁匹配/红外隔热层，后经“粘接”组装得到层级阻抗型聚酰亚胺纤维复合材料。层级阻抗匹配结构的高效构筑使其在8.2 - 40 GHz宽频范围内展示出超高的电磁屏蔽性能和低反射系数。此外，复合材料蓬松三维空间隔热结构的形成和超低的表面红外发射率赋予其在沙地昼夜环境下优异的红外隐身性能；更重要的是，原位络合磁性颗粒和原位“自活化”化学镀银工艺能够有效促进强粘结复合界面的形成，进而增强其耐高温(250 °C)红外隐身性能。如此优异的低反射电磁屏蔽和红外隐身性能使其在军用帐篷中具备广阔的应用前景。

作者简介

王子成

本文通讯作者

江南大学 副教授

▍主要研究领域

电磁防护/红外隐身材料。

▍个人简介

先后入选江苏省“双创人才计划”-双创博士(2020)、无锡市“太湖人才计划”-创新领军人才团队(2021)，全国塑料标准化技术委员会通用方法和产品分技术委员会委员(2023)，中国复合材料学会纳米复合材料分会委员(2024)。迄今已发表SCI学术论文40余篇，以第一作者/通讯作者发表SCI论文20余篇(其中5篇入选ESI高被引/热点论文)，论文总引用次数3400余次，H-index = 23；以项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省“双创计划”-双创博士基金项目、江南大学自主科研计划青年基金项目等，申请中国发明专利11项，其中授权6项，申请PCT专利1项。

▍Email：wangzc@jiangnan.edu.cn

刘天西

本文通讯作者

江南大学 教授

▍主要研究领域

(1)高分子纳米复合材料；(2)气凝胶功能复合材料；(3)纳米纤维及其复合材料；(4)纳米能源复合材料及器件。

▍个人简介

江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金获得者、上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、教育部新世纪优秀人才、德国洪堡学者。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文500余篇，他引2.4万余次，H因子84；2016~2018连续三年入选英国皇家化学会(RSC)材料科学“Top 1% 高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”(材料科学)；2018~2021连续四年入选爱思唯尔“中国高被引学者”(材料科学、化学工程与技术)；2020年/2022年获上海市自然科学二等奖(排名第一)；获授权发明专利50余项；出版中、英文专著各1部。

▍Email：txliu@jiangnan.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624