南京航空航天大学郝秀清教授&周金堂教授AFM:具有可编程电磁切换功能的液态金属/聚酰亚胺/芳纶纳米纤维气凝胶,用于智能电磁波管理

开发兼具电磁吸波与电磁屏蔽可切换功能的的智能先进材料，是电磁隐身与信息防护领域亟待突破的前沿挑战之一。然而，吸波功能依赖于材料对电磁波的有效损耗，而屏蔽功能则依赖于对电磁波的反射与阻隔，两种功能所依赖的机制截然不同，导致兼容性与可调性难以兼顾。在这里，本工作开发出一种具有可编程电磁切换功能的形状记忆驱动型液态金属/聚酰亚胺/芳纶纳米纤维复合气凝胶（LPA），突破了传统电磁材料功能单一，难以集成的技术瓶颈。该材料通过压缩应变驱动多孔结构的重构与液态金属网络的重组，实现电导率的连续调控，从而触发由极化损耗主导的吸波模式向反射屏蔽主导的屏蔽模式的转变，完成电磁功能的有效切换。得益于材料的形状记忆特性，这一过程具有良好的可逆性与重复性。通过调节压缩应变，LPA气凝胶在低应变（20-40%）下表现出优异的电磁吸波性能，有效吸收带宽（EAB）高达8.91GHz。在高应变（50-80%）下总电磁屏蔽效能最高达28.21 dB，整体性能显著优于现有智能响应电磁材料。该工作有助于开发具有应用潜力的先进电磁材料。

近日，南京航空航天大学郝秀清教授、周金堂教授合作在期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Programmable Electromagnetic Switching in Shape-Memory-Driven Liquid Metal/Polyimide/Aramid Nanofiber Aerogels for Intelligent Wave Management”的文章。该研究通过定向冷冻干燥法与液体金属浸渍构筑了具有各向异性多孔结构的液态金属/聚酰亚胺/芳纶纳米纤维复合气凝胶（LPA）。该材料可在不同压缩应变下实现电磁吸波与电磁屏蔽的可逆切换与可编程调控。其中，在低应变下以介电损耗为主，表现出宽达8.91 GHz的吸波带宽；在高应变下，液态金属形成导电通路，屏蔽效能提升至28.21 dB。得益于形状记忆结构，材料在多次循环中仍保持稳定性能，动态调控范围高达47.97 dB。这一创新为可重构智能电磁防护材料提供了全新思路，未来有望在智能电子、无人系统和国防装备中发挥重要作用。南京航空航天大学硕士研究生王树楠为本文的第一作者。

要点一：材料的合成与制备

首先利用聚酰胺酸（PAA）与芳纶纳米纤维（ANF）的协同组装，通过定向冻结诱导冰晶沿单一方向生长，使PAA和ANF在冰晶间隙中逐步富集排列，形成具有定向孔道的轻质骨架结构；随后经冷冻干燥与热亚胺化转化，获得力学稳定的PI/ANF复合气凝胶；再通过超声改性液态金属分散液浸渍，使导电液态金属在多孔网络中均匀分布并形成可重构导电通路（图1）。SEM等测试结果显示出材料具有明显的各向异性，液态金属在气凝胶压缩前后均匀分布在其骨架上（图2），保证了气凝胶的结构完整性和可压缩性，同时赋予材料优异的电导可调特性，为实现电磁吸波与电磁屏蔽功能的可逆切换和可编程调控提供了一种全新的材料设计方案。

图1. LPA复合气凝胶的制备过程。

图2. 复合气凝胶的表征。 (a,b)未压缩与压缩后LPA气凝胶的顶面形貌, (c,d) EDS中的Ga元素分布, (e) XRD, (f) 未压缩LPA气凝胶的侧面形貌, (g) TEM, (h) FTIR, (i-l) XPS。

要点二：机械性能与电性能

LPA气凝胶凭借其多尺度可调结构与液态金属网络，展现出优异的力学可逆性、电导可编程性及电磁功能可切换性。如图3所示，在外界压缩应变的驱动下，气凝胶的孔隙结构逐渐塌缩、致密，液态金属由分散态转变为连续导电网络，实现了由绝缘态向导电态的可逆转变；得益于形状记忆效应，材料在多次循环压缩与恢复过程中仍能保持稳定的形变回复与导电性能。

图3. LPA复合气凝胶的机械和电性能 (a) 压缩应力应变曲线, (b) 压缩循环应力应变曲线, (c) 压缩应力保持率与能量损耗系数, (d) 形状记忆性能, (e) 压缩LPA气凝胶改变电路电阻状态, (f) 不同LM含量下原始/压缩状态下的电阻, (g) LPA气凝胶在不同压缩比下的电阻变化, (h) 电阻切换循环性能, (i) LPA气凝胶在原始和压缩下的电性能仿真。

要点三：材料的电磁性能分析

由于液态金属作为非磁性材料，目前大多数论文或选择忽略其磁导率参数，仅分析介电常数对吸波/屏蔽功能带来的影响，或简要分析磁导率的影响。然而，在实际测试中，该论文通过测试发现液态金属浸渍的气凝胶具有一定的磁导率且对材料的电磁性能具有一定作用，不可被忽略。因此，作者详细分析了该气凝胶中磁导率的贡献，并创新性的引入“类磁损耗效应”，同时结合阻抗匹配、衰减常数、导电损耗、极化损耗等，分析了LPA气凝胶在不同应变下的电磁参数，如图4所示。

图4. LPA复合气凝胶的电磁参数。 (a) 介电实部和介电虚部, (b) 磁实部和磁虚部, (c) 介电损耗正切值和磁损耗正切值, (d-f) LPA-20,LPA-30,LPA-40的Cole-Cole圆, (g) 导电损耗, (h) 极化损耗, (i) 涡流损耗因子, (j) 衰减常数, (k) 空气阻抗匹配。

要点四：材料的吸波/屏蔽性能分析

LPA气凝胶通过独特的多孔结构和液态金属网络，实现了电磁吸收与屏蔽功能的可逆切换（图5）。在低压缩应变（20-40%）下，气凝胶孔隙部分塌缩，液态金属形成局部导电通路，使材料表现出优异的宽频吸波能力，最大有效吸收带宽可达8.91 GHz，最小反射损耗低至-63.98 dB，可有效衰减入射电磁波，实现隐身与信号增强功能。当压缩应变增大到50-80%时，孔隙高度致密，导电网络贯通，材料转为高效电磁屏蔽状态，最大屏蔽效能可达28.21 dB，有效阻隔外部电磁干扰。值得注意的是，这种功能切换完全依赖气凝胶的形状记忆效应，无需持续外力即可在不同应变状态下固定和恢复，且经过多次循环仍能保持稳定性能。此外，实验和模拟结果表明，气凝胶的多相界面和各向异性孔道可增强界面极化和电流环效应，优化电磁能量耗散与传导路径，实现对电磁波的方向性调控。LPA气凝胶结合吸波与屏蔽、宽频响应和可编程调控，展现出智能电磁管理与隐身应用的巨大潜力。

图5. LPA复合气凝胶的电磁切换功能。 (a-c) 电磁吸波性能, (d) EAB and RL_min, (e-g) 电磁屏蔽性能, (h) 不同压缩应变下的电磁切换性能, (i) 3D雷达波散射信号图, (j) 不同角度的RCS仿真曲线, (k) 电磁切换功能对比。

要点五：材料的电磁损耗机理分析

LPA气凝胶的电磁功能切换依赖其多尺度结构。在宏观上，多孔结构与空气形成良好阻抗匹配，有利于电磁波入射；压缩后孔隙率下降，阻抗匹配变差，更多电磁波被反射，实现“吸波—屏蔽”切换。在微观和中观尺度上，LM电子在电磁波作用下产生导电损耗，压缩促进LM聚集形成连续导电通路，提高电导率和能量耗散。同时，LM/PI/ANF界面和极性基团引发界面及偶极极化，随应变增强。基于气凝胶的形状记忆特性，该结构转变可逆，实现“绝缘—导体”的可编程切换，为智能电磁响应提供微观基础。

图6. LPA复合气凝胶的电磁切换功能机理。 (a) 多重反射与散射, (b) 电导损耗, (c) 界面损耗, (d) 偶极极化, (e) 电磁波入射路径, (f) 电流路径随压缩应变的变化。

Shunan Wang, Zhenyu Cheng, Yi Yan, Junru Yao, Yijie Liu, Jiaqi Tao, Lvtong Duan, Yanling Weng, Hongbao Zhu, Haiyan Zhuang, Jintang Zhou*, Xiuqing Hao*. Programmable Electromagnetic Switching in Shape-Memory-Driven Liquid Metal/Polyimide/Aramid Nanofiber Aerogels for Intelligent Wave Management. Adv. Funct. Mater. 2025. 

DOI: 10.1002/adfm.202521612

郝秀清教授，南京航空航天大学机电学院，国家级青年人才。主要从事功能微结构的研究。主持国家自然科学基金（3项）、国防基础科研计划项目、军委科技委基础加强计划技术领域基金、省杰青、省优青、教育部霍英东青年教师基金等10余项国家/省部级项目。在Advanced Functional Materials、Machine tools、Small等本领域高水平期刊上发表论文90余篇（其中IF＞10的6篇，3篇论文获封面论文）；授权发明专利30余项；获得软件著作权5项。获2025年中国机械工业科学技术奖（技术发明奖）二等奖（排1）。

个人官网简介：

https://cmee.nuaa.edu.cn/2019/1219/c11752a190556/page.htm

周金堂教授，南京航空航天大学材料科学与工程学院，主要从事电磁吸波材料的研究。主持国家自然科学基金、国家自然科学基金青年基金、中央高校基本科研业务费专项基金等国家/省部级项目。在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters等本领域高水平期刊上发表论文100余篇，申请/授权中国发明专利60项。

个人官网简介：

https://msc.nuaa.edu.cn/2019/0104/c6680a146663/page.htm

王树楠，毕业于南京航空航天大学机电学院，指导教师郝秀清教授、周金堂教授，目前为西安交通大学机械工程学院博士研究生。主要研究方向：电磁吸波复合材料；3D打印电磁超材料。在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces Journal等期刊发表多篇论文，申请/授权国家发明专利4项。