一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜及其制备方法

本发明属于电磁波吸收材料领域，涉及一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、随着无线通信、雷达系统和电子对抗技术的快速发展，电磁波在现代信息社会中的传播密度不断提升。如何有效调控电磁能量在材料中的传输、反射与耗散，已成为电磁功能材料研究的核心课题。在众多策略中，微波吸收材料因能够将入射电磁波转化为热能而受到广泛关注。然而，高效吸收并不仅取决于材料的损耗能力，更依赖于其与自由空间之间的阻抗匹配程度。换言之，只有当电磁波能够顺利进入材料内部时，各类介电或磁损耗机制才具有发挥作用的前提。因此，如何在增强电磁损耗的同时维持合理的阻抗匹配，始终是吸波材料设计中的核心科学问题。

2、近年来的研究表明，构建微观异质结构被认为是重塑介电行为，打破上述物理僵局的有效策略，其核心价值在于引入了复杂的微观物理机制。与均质网络相比，异质结构工程能够在材料内部形成导电性差异显著的区域，从而在宏观导电网络中引入局域势垒，使整体电导率维持在逾渗阈值附近，有利于实现更优的阻抗匹配。同时，不同相之间丰富的界面能够诱导载流子在界面处发生积累与弛豫，通过构建微观尺度的内置电场产生显著的maxwell-wagner极化效应。此外，复杂的界面结构还能够作为散射中心延长电磁波在材料内部的传播路径，引发多重散射与反射过程，从而进一步增强电磁波衰减能力。因此，构建具有非均匀导电分布和丰富界面结构的异质体系，被认为是实现宽频高效吸收的重要途径。

3、基于这一共识，研究者们已广泛尝试通过构建核-壳结构、晶格掺杂等方法引入丰富界面以提升弛豫损耗性能。文献1（bacterial cellulose nanofibers-assistedconstruction of core-shell structured polyaniline aerogel for superiorelectromagnetic wave absorption[j]. carbohydrate polymers, 2025, 352: 123239）在细菌纳米纤维素表面原位氧化聚合生长聚苯胺制备得到具有核-壳异质结构的电导纤维，随后结合冷冻干燥工艺制备了三元复合气凝胶吸波材料，实现了最小-53.19 db的反射损耗和2.20 ghz的最大有效吸收带宽。文献2（rational design of hollow bimetallicsulfide@carbon with abundant heterogeneous interfaces and conductive networksynergies for efficient microwave absorption[j]. carbon, 2024, 224: 119099）利用硫掺杂引发的残余官能团和晶格缺陷显著增强了材料的微波衰减性能，实现了-68.1 db的最小反射损耗。上述工作虽在最小反射损耗上取得了较优结果，但其有效吸收带宽往往较窄，且性能高度依赖于特定组分与形貌。究其原因，现有的异质结构的构建方法仍局限于组分的简单复合或特定形貌的复刻，难以对微观导电网络进行主动操纵。与此同时，导电组分含量在逾渗阈值附近的微小波动即会引起电导率与阻抗匹配的剧烈突变，使吸波性能难以稳定调控。这种制造与调控能力的局限，常导致理论模拟所锁定的最佳电磁参数区间，难以被精准转化为实际的材料结构，进而制约了宽频、轻薄吸波材料的发展。

4、因此，研究一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，是由核-壳结构纳米纤维相互交织成网构成，核-壳结构纳米纤维是以芳纶纳米纤维（anf）为芯层、表面原位聚合包覆导电聚合物壳层形成的；

4、各核-壳结构纳米纤维的壳层厚度不完全相同，从而使所述吸波薄膜内核-壳结构纳米纤维的电导率呈现从弱导电到高导电的多分散分布；电导率互不相同的相邻核-壳结构纳米纤维在接触处形成电导率失配的异质界面，为载流子的积累与弛豫提供场所，从而增强界面极化。故所述吸波薄膜在微观尺度上表现为电导率分布不均匀的电学异质特征；

5、本发明中各纤维因壳层厚度不同而电导率不同，当两根电导率不同的纤维相互搭接时，接触处两侧的电导率是不连续的，此即电导率失配（可类比为两根电阻不同的导线相接）。在交变电磁场下，载流子在高电导一侧易于迁移、却在低电导一侧受阻，于是在接触界面处积累，形成空间电荷极化，即界面极化。

6、所述吸波薄膜内任一宏观区域（指尺度远大于单根纤维直径、包含足够多纤维而具备统计意义的区域）的核-壳结构纳米纤维组成（指各区域中不同电导率核-壳结构纳米纤维的种类和比例）与电磁参数在统计上一致，即薄膜在成分与电磁参数上呈宏观统计均匀；并且所有核-壳结构纳米纤维沿膜面方向择优取向并形成致密褶皱层状结构，使所述吸波薄膜在结构取向上呈宏观各向异性。需说明的是，此处“统计均匀”针对的是成分与电磁参数的空间分布，“各向异性”针对的是结构取向，二者描述的是不同的物理属性，相互之间不矛盾。

7、作为优选的技术方案：

8、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。

9、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，不同壳层厚度的核-壳结构纳米纤维在膜内随机分布。

10、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜在厚度为1.2~2.1mm时，于2~18ghz（雷达波段）内的最大有效吸收带宽为3.8~6.0ghz；吸波薄膜的最小反射损耗为-52.9~-26.06db。

11、本发明还提供如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，包括如下步骤：

12、（1）向芳纶纳米纤维水相分散液中加入氧化剂，搅拌均匀后于0~6℃冷藏，得到水相反应液；

13、（2）将导电聚合物单体溶于油相试剂中，搅拌均匀，得到油相反应液；

14、（3）在0~6℃的低温环境下，将步骤（2）得到的油相反应液倒入步骤（1）得到的水相反应液上方，加入过程不予搅拌，借助水-油不相溶特性使油相平稳铺展于水相之上，形成上油下水的稳定分层体系；

15、（4）保持步骤（3）的低温环境，使导电聚合物单体在重力和浓度梯度驱动下跨越水-油界面向水相扩散并发生原位聚合反应，形成包含多分散核-壳结构纳米纤维的体系；

16、（5）步骤（4）反应结束后，移除上层油相，对下层包含多分散核-壳结构纳米纤维的水相体系进行反复洗涤；继而采用均质分散仪对该体系进行均质分散处理，使原本沿水相深度梯度分布的纤维随机化；随后经真空抽滤，使核-壳结构纳米纤维在溶剂定向流动与逐层沉积作用下沿膜面方向择优取向，形成层状结构；最后层状结构经热压致密化，制得界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜。

17、作为优选的技术方案：

18、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，步骤（1）中氧化剂为过硫酸铵或六水合氯化铁，芳纶纳米纤维水相分散液的浓度为3~10mg/ml。

19、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，步骤（2）中油相试剂为正己烷或环己烷，导电聚合物单体为吡咯、苯胺或噻吩；油相试剂为惰性溶剂，仅用于溶解导电聚合物单体并与水相形成不相溶的上层（实现分层并作为单体向界面扩散的储库），不参与聚合反应，故其用量并非决定反应的关键参数，只需足以溶解单体并在水相上方形成独立的油相层即可；导电聚合物单体和芳纶纳米纤维的质量比为6~10:25，导电聚合物单体与氧化剂的摩尔比为1:0.8~1.2。

20、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，步骤（3）中油相反应液与水相反应液的体积比为2~3:5。

21、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，步骤（4）中反应时间为4~6小时。

22、如上所述的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，步骤（5）中热压的温度为80~120℃。

23、发明原理：

24、本发明的吸波薄膜，在由油相与水相组成的双相体系中制备完成。该体系中，下层为含氧化剂的水相溶液，上层为含导电聚合物单体的油相溶液。在原位聚合反应过程中，导电聚合物单体在重力与浓度差的驱动下跨越液-液界面缓慢向水相扩散，在水相中自上而下建立连续的单体浓度梯度，使芳纶纳米纤维表面包覆的导电聚合物壳层厚度沿深度连续变化，自发生成了从轻度包覆到重度包覆、电导率从弱导电到高导电的全谱系核-壳纤维库。随后，对洗涤后的纤维产物进行均质分散处理，将沿深度梯度分布的纤维随机化。在一般的反应体系中，反应是均匀进行的，那么最终获得的薄膜在微观上各种纤维交织，纤维的直径粗细是相同的，因此微观均匀，宏观性质也均匀。而在本发明的反应体系中，由于构建了一个水油界面，反应在水相中发生，但是因为不同水相高度接触到的导电聚合物单体浓度是不同的，因此反应结束后获得的核壳纤维直径不同，导电性质不同。但是本发明并没有保留这种梯度结构，相反利用均质分散这一步骤，彻底打乱了随高度变化的纤维分布，使得各种直径的纤维在溶液中随机分布；再经真空抽滤及热压致密化，纤维在流场与压力作用下沿膜面取向，组装为致密褶皱层状结构。在该结构中，高电导率组分（厚壳层）构建长程的电子传输路径，提供基础的传导损耗；低电导率组分（薄壳层或裸露anf）充当了介电隔离骨架，有效稀释了导电网络的连通密度，避免阻抗的过早崩溃；电导率失配的相邻纤维在接触处形成了海量的异质微界面，确立了以界面极化为主导的损耗机制。由于纤维电导率呈多分散连续分布，体系的逾渗转变由突变转为平缓，表现为可调控的软逾渗等效介质行为：导电组分含量的变化不再引起电导率与阻抗匹配的剧烈突跳，而是平缓过渡，从而在阻抗匹配与电磁衰减之间形成更宽的可调窗口；配合海量异质界面带来的强界面极化（弛豫损耗），使薄膜在维持良好阻抗匹配的同时增强对入射电磁波的衰减，进而拓宽雷达波段的有效吸收带宽。

25、有益效果：

26、（1）本发明的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，利用重力驱动的双相界面扩散聚合技术，一步高通量生成从轻度包覆到重度包覆、电导率从绝缘到高导电的全谱系核-壳纤维库，实现了对导电组分电导率分布的连续调控；方法操作简单，可在薄膜内构建电导率从绝缘到高导电连续分布的多分散导电网络。

27、（2）本发明的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，通过对反应产物进行均质分散处理，打散了制备过程中沿深度形成的电导率梯度，并在真空抽滤与热压中将无序纤维组装为面内取向的致密褶皱层状结构，于纤维-纤维接触处形成海量电导率失配的异质界面，确立了以界面极化为主导的损耗机制。

28、（3）本发明的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜的制备方法，拓展了吸波材料异质结构的构建方法，增强了界面极化（弛豫损耗），在保证阻抗匹配的同时提高了对雷达波的衰减能力与有效吸收带宽。

29、（4）本发明的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，吸波薄膜兼含承担传导损耗的高电导率纤维与充当介电骨架、优化阻抗匹配的低电导率纤维，各类纤维随机分布，使薄膜呈现可调控的软逾渗等效介质行为，在阻抗匹配与电磁衰减之间具有更宽的可调窗口。

30、（5）本发明的一种界面极化主导的各向异性等效介质吸波薄膜，借助其软逾渗特性，导电组分含量的变化不会引起电导率的剧烈突变，实现阻抗匹配与电磁衰减之间的平衡，并通过引入大量电导率失配的异质界面增强界面极化（弛豫损耗），从而拓宽吸波薄膜在雷达波段的有效吸收带宽。