论文标题：Robust, Flexible, and Superhydrophobic Fabrics for High-Efficiency and Ultrawide-Band Microwave Absorption

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.009

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在当今数字化时代，无线通信设备、大功率信号发射器和家用网络电子设备的广泛应用，使得电磁辐射问题日益凸显。电磁辐射不仅会对人体健康产生潜在威胁，还可能对电子设备的正常运行造成干扰。因此，开发高性能微波吸收材料以有效防护电磁辐射，成为当前科学研究的重要方向。青岛大学与香港理工大学联合团队在中国工程院院刊《Engineering》发表题为“Robust, Flexible, and Superhydrophobic Fabrics for High-Efficiency and Ultrawide-Band Microwave Absorption”的研究成果。该研究成功研发出一种兼具高性能、柔性与超疏水特性的新型织物，其具备高效超宽带微波吸收能力，为电磁防护材料的创新研发提供了全新思路。论文第一作者为张仲，王训该、牛海涛、周华共同担任通讯作者。

研究团队采用一种简单的浸涂方法，成功开发出这种具有超疏水表面特征的微波吸收织物。该方法的核心在于通过原位还原氧化石墨烯（GO），并在聚酯织物上沉积二氧化钛（TiO₂）纳米粒子，随后涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）和十八胺（ODA）的混合物。这种独特的涂层结构赋予了织物优异的超疏水性，其水接触角达到159°，滑动角仅为5°。更为重要的是，在传导损耗、极化损耗和异质形貌的协同作用下，该织物展现出卓越的微波吸收性能。当还原氧化石墨烯（rGO）的负载量为6.9 wt%时，织物的最小反射损耗（RL_min）可达−47.4 dB，最大有效吸收带宽（EAB_max）达到7.7 GHz。

这一成果的取得并非偶然。研究团队在实验过程中进行了大量的探索和优化。首先，他们通过两步涂层技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物上构建了复合涂层。第一步是在含有脂肪酸甲酯乙氧基磺酸钠（FMES）作为还原剂的GO分散液中加入TiO₂纳米粒子，经过超声处理和固化后，实现了GO的原位还原，并在织物表面形成了rGO/TiO₂涂层。第二步则是将ODA和PDMS的混合溶液涂覆在rGO/TiO₂涂层织物上，经过固化处理后，形成了最终的rGO/TiO₂-ODA/PDMS涂层织物。这种涂层不仅具有超疏水性，还赋予了织物良好的柔韧性和机械稳定性。

图1 （a）制备rGO/TiO₂-ODA/PDMS涂层PET织物的涂层程序说明；对照织物（b）、rGO/TiO₂涂层织物（c）和rGO/TiO₂-ODA/PDMS涂层织物（d）的扫描电镜（SEM）图像；（e）涂层织物的微波吸收（MA）性能和柔韧性示意图；（f）照片显示涂层织物具有很强的防水性。

在性能测试方面，该织物表现出色。实验结果显示，涂层织物在多种恶劣条件下均能保持稳定的微波吸收性能。经过20次洗涤循环后，织物的RL_min仍可达−36.3 dB，EAB_max为7.4 GHz；在9 kPa的负载压力下，经过100次磨损循环后，RL_min降至−22.2 dB，但EAB_max仍保持在7 GHz。此外，该织物还具备出色的防污性能，即使经过5次污水浸渍循环，织物的RL_min和EAB_max分别为−41.5 dB和7.7 GHz，且表面能够保持清洁，不会受到污染。这些结果表明，该织物不仅具有高效的微波吸收能力，还具备优异的耐久性和自清洁性能。

研究团队进一步分析了该织物的微波吸收机制。涂层织物的微波吸收性能主要来源于导电损耗、偶极子极化和界面极化引起的介电损耗。rGO的平面边缘含有大量含氧基团，部分还原后形成的缺陷结构能够产生局部偶极子，在交变电磁场的作用下，这些偶极子被诱导重新排列，从而产生介电损耗。此外，rGO、GO和TiO₂之间存在大量的非均相界面，形成界面极化，导致涂层内的多重反射和电磁波散射增强，进一步提高了电磁波的衰减能力。而顶部的ODA/PDMS涂层则赋予了织物超疏水性能，有效防止了水分对织物微波吸收性能的影响。

此外，该涂层织物还具有自愈能力。当涂层织物受到等离子体处理或热处理时，纤维表面的亲水性极性基团或损失的疏水性ODA分子会导致表面能增加，从而破坏超疏水性。然而，通过热处理可以诱导PDMS基体内部的ODA分子向表面迁移，使表面能最小化，从而恢复涂层的超疏水性。这一特性使得该织物在实际应用中能够更好地抵御各种物理和化学损伤，延长使用寿命。

在当前的研究领域中，开发具有高效微波吸收性能且兼具超疏水性和耐久性的柔性织物仍面临诸多挑战。此次研究中开发的rGO/TiO₂-ODA/PDMS涂层织物，凭借其优异的性能和简单的制备工艺，展现出巨大的应用潜力。这种织物不仅能够有效吸收电磁波，减少电磁辐射对人体和设备的潜在危害，还具备良好的柔韧性和耐久性，使其在航空航天、雷达隐身、电磁波防护等领域具有广阔的应用前景。同时，其自清洁和自愈性能也为实际应用提供了更多的便利。

论文信息：

Zhong Zhang, Yaxin Meng, Xinrui Fang, Qing Wang, Xungai Wang, Haitao Niu, Hua Zhou. Robust, Flexible, and Superhydrophobic Fabrics for High-Efficiency and Ultrawide-Band Microwave Absorption. Engineering, 2024, 41(10): 168-178 DOI:10.1016/j.eng.2024.03.009

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