航空航天与电子设备发展使电磁污染加剧，需开发耐高温高压的多功能电磁波吸收材料。聚酰亚胺（PI）具优异热稳定性与力学性能，是理想基体。单一填料难以满足高性能需求，近年研究聚焦多组分填料协同增强。本文结合五氧化二铌（Nb₂O₅）的稳定性与碳纳米管（CNTs）的高导电性，通过超声喷涂制备蓬松微球填料（NBCM），再经冷冻干燥将其引入PI泡沫，构建轻质多孔Nb₂O₅/CNTs/PI（NBCP）复合材料，系统研究其电磁波吸收、隔热与抗压性能。
 

图1. NBCP复合材料的制备流程。
该标题表明图1展示了NBCP（五氧化二铌/碳纳米管/聚酰亚胺）复合材料的完整制备步骤，通常包括原料处理、混合、成型及后处理等关键环节，以示意图或流程图形式呈现。
 

图2. （a, b）NBCM填料的扫描电镜图像；（c, d）NBCM填料的透射电镜图像；（e）PI，（f）NBCP-10，（g）NBCP-15和（h）NBCP-30复合材料的截面扫描电镜图像；（i）NBCP-15复合材料的SEM图像及（j-m）其EDS元素分布图。
1. 结构解析：
   - 该图通过多组子图系统展示不同尺度下的材料形貌与成分信息：
     （a-b）呈现NBCM填料的微观形貌特征
     （c-d）提供更高分辨率的内部结构信息
     （e-h）展示复合材料截面的多孔结构演变
     （i-m）聚焦NBCP-15的局部形貌与元素分布
 
2. 术语说明：
   - SEM（Scanning Electron Microscopy）：扫描电子显微镜，用于表面形貌分析
   - TEM（Transmission Electron Microscopy）：透射电子显微镜，可观察内部晶体结构
   - EDS（Energy Dispersive Spectroscopy）：能谱分析，用于元素成分分布检测
   - NBCM：\(\mathrm{Nb_2O_5}\)/CNTs微球填料
   - NBCP：\(\mathrm{Nb_2O_5}\)/CNTs/PI复合材料（数字代表填料体积分数）
 
3. 科学意义：
   - 该图通过多尺度表征手段，系统揭示从填料（NBCM）到复合材料（NBCP）的结构特征：
     * 证明填料在基体中的分散状态
     * 展示孔隙结构随填料含量的变化规律
     * 通过元素分布验证组分均匀性
   - 为后续分析材料性能（如电磁吸收、力学特性）提供关键结构依据
 

图3. （a）CNT和NBCM填料及（b）PI与NBCP复合材料的XRD图谱。
1. 图示内容说明：
   - （a）部分：对比CNT与NBCM填料的结晶结构差异，可分析CNT在复合填料中的结构完整性及Nb₂O₅的结晶状态。
   - （b）部分：对比纯PI与不同NBCM含量复合材料的衍射图谱，可揭示填料引入对聚合物结晶行为的影响，以及填料在基体中的分散状态。
2. 科学意义：
   - 通过XRD可验证Nb₂O₅的特征晶相是否成功负载于CNT表面（a图）；
   - 对比PI与NBCP的图谱，可判断填料加入是否改变PI的分子链排列或诱导新的结晶行为；
   - 衍射峰强度与宽度的变化可间接反映填料的分散性及复合材料的结构均匀性。
 

图4. （a）PI与NBCP复合材料的FTIR光谱及（b-f）NBCP复合材料的XPS光谱。
1. 图示内容分析
   - （a）FTIR光谱：对比纯PI与不同NBCM含量复合材料的红外吸收峰，可判断填料与聚合物基体间的化学相互作用（如氢键、配位键等），以及官能团的变化情况。
   - （b-f）XPS谱图：通过高分辨率谱分析C、O、N、Nb等元素的特征峰，可揭示：
     - 复合材料中化学键的形成（如Nb–O、C–N等）
     - 元素价态及电子环境的变化
     - 填料与基体界面处的化学相互作用
2. 科学意义
   - FTIR：验证复合材料中各组分的成功复合，并检测可能发生的化学反应或物理相互作用。
   - XPS：从表面化学角度揭示填料与聚合物间的界面结合机制，为解释材料性能（如界面极化增强电磁损耗）提供化学结构依据。
   - 结合两者可全面解析复合材料的多尺度化学结构特征。
 

图5. (a) TGA曲线, (b) 应力-应变曲线, (c) 热红外图像, (d) PI和NBCP复合材料的压缩强度与压缩模量, 以及(e) NBCP复合材料的光学照片。
1. 科学意义
   - 多性能关联分析：将热学、力学、隔热性能集中呈现，体现材料"多功能一体化"特点
   - 结构-性能关联：结合图2-4的结构表征，可建立多孔结构/界面设计与性能的构效关系
   - 应用导向表征：热红外图像直接模拟实际隔热场景，压缩性能数据支撑结构材料应用需求
此图是评估复合材料工程应用价值的关键性能汇总图，通过多维度数据验证其满足电磁波吸收材料在热管理、力学承载方面的协同需求。
 

图6. （a, b）PL、NBCP-10、NBCP-15及NBCP-30复合材料的复合介电常数，（c）介电损耗角正切，（d）电导率。

1. 术语解析
   • 复合介电常数：由实部（ε′）和虚部（ε″）组成，是描述介质材料电磁特性的核心参数。
   • 介电损耗角正切：tan δ = ε″/ε′，值越大表明介电损耗能力越强。
   • 电导率：反映材料中载流子迁移能力，影响电磁波的欧姆损耗。
   • NBCP-10/15/30：数字代表NBCM填料的体积分数（如15%），用于研究填料含量对电磁参数的调控规律。
2. 科学意义
3. 构效关系分析：通过对比不同填料含量的数据，可明确NBCM含量对介电性能与导电行为的调控作用。
4. 损耗机制阐释：结合ε″、tan δ与电导率数据，可区分界面极化、偶极子弛豫及导电损耗的贡献。
5. 阻抗匹配设计基础：介电参数是计算材料阻抗匹配特性的直接输入，为优化吸波性能提供依据。

该图是分析复合材料电磁波吸收机理的核心数据组，通过介电谱与电导率的关联分析，可揭示多组分、多孔结构对电磁损耗能力的协同增强机制。
 

图7. （a）PI、（b）NBCP-10、（c）NBCP-15及（d）NBCP-30复合材料的Cole-Cole图。

1. Cole-Cole图说明
   Cole-Cole图（又称介电弛豫谱图）是以复数介电常数虚部（ε″）为纵坐标、实部（ε′）为横坐标绘制的曲线，用于分析材料的介电极化弛豫行为。图中每个半圆或弧段通常对应一种弛豫过程。
2. 术语与内容解析
   • PI：聚酰亚胺基体，作为对比参照。
   • NBCP-10/15/30：表示含不同体积分数NBCM填料的复合材料。
   • 图示内容：通过对比四组材料的Cole-Cole图形状、半圆数量及曲率半径，可推断：
     • 界面极化、偶极子极化等弛豫机制的存在与强弱；
     • 填料含量对极化行为的调控规律；
     • 材料微观结构的均匀性与界面特性。
3. 科学意义
4. 揭示损耗机制：多个分离或重叠的半圆暗示存在多重极化弛豫（如Nb₂O₅/CNTs界面极化、PI链段偶极弛豫等），是增强介电损耗的重要途径。
5. 评价结构均匀性：理想的半圆形状反映弛豫过程集中；变形或倾斜的弧段可能源于填料分散不均或导电网络形成的漏导效应。
6. 优化填料设计：通过比较不同填料含量下的图谱变化，可为平衡极化损耗与阻抗匹配提供依据。
7. 应用关联
   该图结果可与图6的介电参数结合，深入解释复合材料在特定频段（如X波段）的电磁损耗特性，为理解“多孔结构-多相界面-弛豫损耗”的构效关系提供关键证据。

 

图8. （a）PI、（b）NBCP-10、（c）NBCP-15及（d）NBCP-30复合材料的二维阻抗匹配等高线图。
1. 图示内容说明 
   该图以二维等高线形式展示材料阻抗匹配特性，通常以频率和厚度为坐标轴，颜色深浅表示阻抗匹配程度（越接近理想值1表示匹配越好）。
2. 科学意义 
   - 量化匹配性能：直接对比不同复合材料在全频段（如X波段）的阻抗匹配水平，揭示填料含量对匹配特性的调控规律。 
   - 指导结构设计：通过识别图中高匹配区域（颜色接近1的区域），可优化材料厚度与工作频段的设计。 
   - 协同损耗机制：结合图6-7的损耗参数，可综合分析“匹配-损耗”协同作用，解释NBCP-15性能最优的原因。
3. 应用价值
   该图为电磁波吸收材料的工程应用提供关键设计依据： 
   - 快速确定材料的最佳适用厚度与频段； 
   - 评估复合材料在宽频带的阻抗兼容性； 
   - 验证多孔结构、多相填料对改善阻抗匹配的贡献。
 

图9. （a）、（c）、（e）、（g）PI、NBCP-10、NBCP-15及NBCP-30复合材料的三维反射损耗曲线；以及（b）、（d）、（f）、（h）对应的二维反射损耗曲线。
1. 内容说明 
   该图通过三维（3D）和二维（2D）两种形式展示不同厚度和频率下复合材料的反射损耗（RL）性能： 
   -3D曲线（a, c, e, g）：以频率、厚度为横纵坐标，RL值为高度坐标，直观呈现材料在全参数空间内的吸波性能分布。 
   - 2D曲线（b, d, f, h）：固定厚度或频率，展示RL随单一变量的变化趋势，便于定量分析最优吸收点。
2.科学意义 
   - 性能对比：直观对比不同填料含量复合材料（PI、NBCP-10/15/30）的吸波性能差异，明确NBCP-15的最优表现。 
   - 参数优化：通过3D图识别RL谷值对应的最佳厚度与频率组合，为材料设计提供参数指导。 
   -宽频带分析：2D曲线可清晰显示有效吸收带宽（EAB），评估材料在宽频范围的适用性。
3.应用关联 
   该图是直接评价吸波材料工程性能的核心图示，可与图8的阻抗匹配结果结合，完整揭示“阻抗匹配-损耗能力”共同决定的最终吸波效果，为材料在具体频段（如X波段）的应用提供数据支持。
 

图10. 本研究制备的复合材料与相关复合材料的电磁波吸收性能对比。
1. 内容说明 
   该图以表格或图示形式，将本研究制备的NBCP复合材料（如NBCP-15）与文献中报道的其他吸波材料（如不同填料体系、聚合物基复合材料等）的关键性能参数进行系统对比。
2. 典型对比维度 
   - 吸收强度：最小反射损耗（RLmin） 
   - 吸收带宽：有效吸收带宽（EAB，通常以RL ≤ -10 dB为标准） 
   - 厚度：达到最优性能时的材料厚度 
   - 密度/轻质性：材料单位体积重量 
   - 多功能性：如隔热性、力学强度等附加性能（若涉及）
3. 科学意义 
   - 定位研究水平：通过横向对比，客观评估本工作所研制材料在领域内的性能位置与优势。 
   - 突显创新点：突出NBCP复合材料在**薄厚度、强吸收、宽频带**或**多功能集成**方面的综合优势。 
   - 揭示构效关系：通过对比不同材料体系的性能差异，间接印证“多孔结构设计”“多组分填料协同”等策略的有效性。
4. 应用价值 
   为读者及潜在应用方提供直观的性能参照，说明本材料在**实际电磁屏蔽或吸波场景中**的竞争力与适用性。
 

图11. （a）-（d）PI与NBCP复合材料的RCS曲线三维图及（e）NBCP-15涂层（红色）与金属表面（蓝色）的极坐标图。
1. **术语释义** 
   - **RCS**：雷达散射截面，是表征目标对雷达波散射能力的物理量，其数值越小代表目标对雷达波的反射越弱，隐身性能越好。 
   - **三维图**：常以频率、观测角度和RCS值为坐标轴，立体展示材料在不同电磁波入射条件下的散射特性。 
   - **极坐标图**：在极坐标系中展示某一频点下RCS随观测角度的变化，直观对比涂层与金属基底的散射差异。
2. **图示内容说明** 
   - **（a-d）**：分别展示PI（基体）及不同NBCM填料含量复合材料的RCS三维分布，反映填料对降低材料雷达波散射的整体效果。 
   - **（e）**：以极坐标形式对比涂覆NBCP-15的材料表面与裸露金属表面的RCS方向特性，红色区域收缩程度直接体现涂层的雷达波散射衰减能力。
3. **科学意义** 
   - **量化隐身性能**：通过RCS减缩值（如原文所述的85%）客观评价复合材料在模拟雷达波照射下的实际隐身效果。 
   - **角度特性分析**：极坐标图揭示涂层在不同入射角度下的散射稳定性，对实际应用中多角度探测场景具有重要意义。 
   - **验证机理有效性**：RCS降低直接证明材料“吸收为主、散射为辅”的电磁波耗散机制成功实现。
4. **应用关联** 
   此图为材料在**雷达隐身技术**中的潜在应用提供关键实验依据，证明NBCP复合材料不仅具备实验室尺度的吸波性能，更能实现工程尺度的散射衰减，满足实战化隐身材料对宽角度、强衰减的需求。
 

图12. NBCP复合材料的电磁波吸收机理示意图。
1. **内容说明** 
   该图通过示意图形式，系统阐述NBCP复合材料中电磁波被吸收和耗散的多重物理机制，通常结合微观结构特征与宏观电磁响应进行可视化呈现。
2. **典型机理呈现维度** 
   - **传导损耗**：CNTs等导电组分形成的三维网络通过欧姆损耗将电磁能转化为热能。 
   - **介电弛豫与极化损耗**： 
     - 界面极化：Nb₂O₅/CNTs、填料/基体等多相界面处的电荷积累与弛豫； 
     - 偶极子极化：PI分子链极性基团及缺陷偶极子在交变电场下的转向滞后。 
   - **多重反射与散射**：材料内部多孔结构延长电磁波传播路径，通过反复反射/散射增强能量衰减。 
   - **阻抗匹配机制**：多孔结构及组分设计优化材料表面阻抗，促进电磁波入射而非反射。
3. **科学意义** 
   - **系统阐释性能根源**：将材料优异的吸波性能（如RLmin = -41.66 dB）归因于多机制协同作用，超越单一机理的局限性。 
   - **关联结构与性能**：通过示意图直观呈现“多孔结构-多相界面-导电网络”与不同损耗机制的对应关系。 
   - **指导材料设计**：为后续优化复合材料（如调节孔隙率、界面设计、组分比例）提供理论框架。
4. **研究价值** 
   此类机理图是高水平研究论文的核心要素之一，不仅深化对当前材料体系的理解，更为开发新型多功能吸波材料提供普适性设计策略。
**注**：电磁波吸收机理的图示化阐释是连接材料实验表征与性能优化的关键环节，有助于建立可推广的“结构-功能”设计原则。
       本研究成功制备轻质多孔NBCP复合材料，兼具高效电磁波吸收、优异隔热与抗压性能。多孔结构优化阻抗匹配，多相填料增强介电损耗，使NBCP-15在2.09 mm厚度下反射损耗达-41.66 dB，吸收带宽2.63 GHz，雷达截面缩减85%。材料在150℃环境隔热温差超100℃，压缩强度与模量分别达1629.81 kPa与2037.27 kPa。该工作为开发适用于严苛环境的多功能电磁波吸收材料提供了新策略。https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110531

转自《石墨烯研究》公众号