吸波材料可通过吸收辐射到材料表面的电磁波，降低目标的电磁特征信号，从而提升武器装备的战场生存能力，是目前军事装备技术领域的重点发展方向。然而，现有吸波材料大多属于“被动式”，即材料被制备出来后，其工作频段、吸收带宽等各种参数均随之固定。而战场环境和武器装备的使用场景是复杂多变的，仅仅依靠一成不变的“被动式”吸波材料难以实现重要的战略/战术目标。相比之下，具有隐身性能动态可控，吸波/透波效果可随使用场景智能变化的主动吸波材料，越来越显示出应用价值，也是未来隐身材料领域的发展前沿。
南开大学黄毅教授团队长期致力于新型电磁功能材料的研究，于2015年率先发展了基于三维石墨烯的宽频雷达隐身材料，实现了吸波强度和有效吸波频段智能可调（Adv. Mater., 2015, 27, 2049）；2018年首次报导了石墨烯复合材料的高效、超宽频太赫兹吸波性能（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363）；2022年突破了新型二维磁性材料Fe 3GeTe 2的宏量制备方法，并率先获得了对微波/太赫兹的高效吸收/屏蔽，实现了宽带雷达散射截面的有效缩减（ACS Nano,2022,16, 7861）。
日前，南开大学黄毅教授团队发展了一种基于石墨烯/二氧化钒复合气凝胶的智能吸波材料。在升温过程中（30℃到120℃），二氧化钒（VO2）展现出独特的相变行为（单斜相到金红石相），同时也为复合气凝胶带来导电率/电磁参数的巨大变化，最终赋予了其吸波性能随温度变化的“开启/关闭”智能切换效果。值得注意的是，在“开启/关闭”过程中，复合气凝胶的有效吸收带宽和反射损耗值的最大变化（ΔEAB和ΔRL）高达7.27GHz和49dB，远远超过传统吸波材料。相关研究以题为“Intelligent Off/On Switchable Microwave Absorption Performance of Reduced Graphene Oxide/VO 2 Composite Aerogel”的论文发表在Advanced Functional Materials。
研究者首先将VO 2进行氨基化修饰，然后与GO溶液混合，通过溶剂热反应制备了复合气凝胶，其中VO 2 纳米颗粒以共价键形式“铆钉”在了石墨烯片表面。通过原位升温XRD和DSC等表征技术，证实了VO 2在气凝胶内部仍然可以发生单斜相到金红石相的相变行为，相变温度为67.8℃。
这种变化的电磁参数也带来了吸波性能的变化。其中，当气凝胶厚度在4.3mm和5mm时，其在30℃的EAB分别为6.08GHz和5.12GHz，而在120℃的EAB均降至0GHz，从而实现了吸波性能的“开启”（30℃）到“关闭”（120℃）状态变化。另外，当材料厚度为2.82mm时，其最低RL值也由-61.9dB（30℃）提升到-12.9dB（120℃），两者相差高达49dB。经过分析发现，这种“开启”到“关闭”的状态变化来源于升温过程中材料阻抗匹配性质的弱化。
除了升温过程中“开启”到“关闭”的状态变化，研究者还发现未进行退火处理的复合气凝胶在升温过程中可发生“关闭”到“开启”的吸波性能变化。由于其在室温环境中（30℃）导电性较弱，电磁参数较低，因此其对电磁波的损耗性质不足，在3mm和4mm时的EAB为0GHz。而得益于升温过程中VO2的相变行为，电磁参数逐渐提高，对电磁波的损耗性质也逐渐增加，在120℃时的EAB分别达到4.52GHz和7.27GHz，最终实现了升温过程中“关闭”到“开启”的吸波状态变化。当厚度为5.8mm时，其在30℃/120℃时的RL变化高达37dB。
此外，研究者还基于F16战斗机的模型进行了RCS模拟，进一步证实了该气凝胶在不同温度环境下的智能隐身特性。
小结：研究者基于VO2在升温过程中的相变行为，提出了一种智能开关可切换吸波材料的制备方法。相关研究可为智能电磁器件、下一代吸波/屏蔽材料的发展提供新的思路。
作者简介：
黄毅，南开大学材料学院教授，副院长。先后承担了国家自然科学基金、国家重点研发计划、973、863、国际合作、和国防重点项目等20余项课题。在新型低维纳米材料的合成、电磁性质调控、高性能吸波/屏蔽材料等方面取得了系列创新成果，并拓展了其在电子信息、航空航天及国防等领域的应用。近年来，在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等刊物发表论文150余篇，先后有22篇文章入选ESI高被引论文，共被引用23000余次，H因子55，入选科睿唯安 “全球高被引科学家”及爱思唯尔“中国高被引学者”。2018年获国家自然科学二等奖（R3），获得天津市自然科学一等奖两项（2015，2010）和二等奖一项（2021）。
