核心导读：本文利用闪蒸焦耳热（FJH）的非平衡热力学特性，在碳气凝胶（CA）中原位生长碳化硅纳米线（SiCNWs），构筑具有弯曲形貌与线-球结构的 SiCNWs-CA 异质界面，以界面极化损耗为主导机制实现卓越吸波性能：RLmin = −52.1 dB，EAB = 4.67 GHz（厚度仅 1.3 mm），RCS 最大降低 24.53 dB·m²，同时 150°C 加热 20 min 后表面温度仅 54.8°C，兼具优异热隔离性能。
一、背景
航空航天飞行器面临雷达与红外双重探测威胁，碳气凝胶（CA）凭借低密度、优异介电损耗与高温稳定性成为轻量化电磁波吸收（EWA）材料的理想基体，但单一损耗机制导致阻抗失配，难以同时达到高反射损耗（RL）与宽有效吸收带宽（EAB）的性能要求。构建异质界面是提升界面极化损耗、改善阻抗匹配的有效途径，而传统前驱体浸渗裂解（PIP）和化学气相沉积（CVD）工艺因晶粒粗化和催化剂残留等缺陷难以高效构筑高质量界面，亟需突破。
二、论文概要
本研究中，南京航空航天大学李斌斌课题组提出利用闪蒸焦耳热（Flash Joule Heating, FJH）的非平衡热力学特性，在碳气凝胶内原位一步合成 SiCNWs@CA 复合材料。FJH 通过高压电容放电在毫秒内产生超高温（>1700°C），触发 Si 粉/PTFE 体系自蔓延燃烧，经气-液-固（VLS）机制在 CA 孔隙中原位生长 SiCNWs；超快淬冷抑制了晶粒粗化，并在 SiCNWs-CA 界面处形成 3 nm 厚的原子级渐变过渡层，实现高效界面键合。以 Si:PTFE = 1:1 制备的 SiCNWs@CA-1 综合性能最优：最小反射损耗 RLmin = −52.1 dB，有效吸收带宽 EAB = 4.67 GHz（厚度 1.3 mm），RCS 最大降低 24.53 dB·m²；在 150°C 加热 20 min 后表面温度仅 54.8°C，展现出吸波与热隔离的协同多功能集成能力。
三、图文解读
Fig. 1｜FJH 合成 SiCNWs@CA 的工艺流程
FJH 工艺将 Si@PTFE@CA 前驱体夹于碳毡电极间，通以 150 V 高压脉冲，在毫秒内产生极端热能，触发 Si/PTFE 自蔓延燃烧并经 VLS 机制原位生长 SiCNWs。相较 PIP 和 CVD，FJH 的超快加热/淬冷抑制了 SiC 晶粒粗化，在保证高界面密度的同时避免了催化剂残留对吸波性能的干扰。
图2｜CA 与 SiCNWs@CA 的结构与成分全面表征
SEM 显示 FJH 后大量 SiCNWs 均匀填充于 CA 三维孔网中，独特的弯曲结构与线-球形貌源于非平衡热力学诱导的内应力驱动生长（图 2a/c）。HRTEM 在 SiCNWs-CA 界面处观察到 3 nm 厚的晶格渐变过渡层，β-SiC 长程有序结构连续演变为非晶碳，无裂纹或空洞，证实了原子级高效界面键合（图 2g）；XRD 确认β-SiC 沿 [111] 方向择优生长，XPS 中 C-Si / Si-C 键的出现进一步验证了 FJH 非平衡条件下共价界面键的形成（图 2i/k）。
图3｜不同厚度下各样品的反射损耗与有效吸收带宽
纯 CA 因无异质界面，RLmin 仅 −6.72 dB、EAB 为 0 GHz，无法实际应用。引入 SiCNWs-CA 异质界面后，SiCNWs@CA-1 在 3.0 mm 厚度下 RLmin 达 −52.1 dB，在 1.3 mm 超薄厚度下 EAB 达 4.67 GHz，吸波性能大幅跃升；随 Si:PTFE 比增大（1:1→3:1），异质界面密度降低，EWA 性能依次下降（SiCNWs@CA-2/3 的 RLmin 分别为 −47.26 dB 和 −32.6 dB）。
图4｜电磁参数、Cole-Cole 曲线与综合性能横向对比
SiCNWs@CA-1/2/3 的复介电常数（ε′、ε″）及介电损耗角正切均显著高于纯 CA，归因于 SiCNWs-CA 异质界面触发的强界面极化——大量电荷在界面积累并发生弛豫损耗；Cole-Cole 曲线中的多重半圆揭示了 Debye 弛豫、Maxwell-Wagner 弛豫与电子极化三种机制的协同存在。横向对比（图 4i）表明，SiCNWs@CA-1 综合满足"薄、宽、强"高性能 EWA 材料的要求，居同类报道前列。
图5｜λ/4 匹配厚度与各样品阻抗匹配特性
纯 CA 的归一化输入阻抗（Z）远偏离 1，阻抗严重失配；SiCNWs@CA 系列因 SiCNWs-CA 异质界面构建了梯度介电过渡层，Z 值在更宽频率范围内趋近于 1，实现优良阻抗匹配。SiCNWs@CA-1 的衰减常数 α 在 2–18 GHz 全频段最高，进一步佐证了其最优的电磁波能量耗散能力。
图6｜CST 仿真雷达散射截面（RCS）模拟结果
CST 仿真以 150 mm×150 mm PEC 基板为参照，SiCNWs@CA-1（3.0 mm）涂层在 −70°至 70° 散射角范围内散射信号最弱；在 60° 检测角下，RCS 最大降低 24.53 dB·m²，明显优于其他样品，在真实雷达探测场景下展现出突出的隐身潜力。
图7｜SiCNWs@CA 电磁波衰减机制示意图
SiCNWs@CA 的吸波增强源于四重协同机制：①SiCNWs 与 CA 构成的三维纤维网络对入射电磁波形成多重散射，延长能量传输路径；②CA-SiCNWs 导电网络提供电子迁移与跳跃的长程通路，增强导电损耗；③SiCNWs-CA 异质界面诱发 Maxwell-Wagner 弛豫型界面极化损耗（主导机制）；④SiCNWs 中极性分子在交变电场下产生偶极极化损耗。
图8｜热隔离性能测试与传热机制分析
在 150°C 加热台持续加热 20 min 后，SiCNWs@CA-1 表面温度仅 54.8°C，显著低于纯 CA 的 69.4°C：SiCNWs 的弯曲形貌与线-球结构增加了红外辐射散射路径，降低了表观红外发射率；异质界面提供大量声子非弹性散射中心，缩短声子平均自由程，抑制固相热传导；纳米线划分孔空间并约束气相对流，三重传热路径（热传导、热对流、热辐射）被协同压制（图 8d）。
核心数据汇总：RLmin = −52.1 dB（3.0 mm）；EAB = 4.67 GHz（1.3 mm）；RCS 最大降低 24.53 dB·m²（60°）；150°C 加热 20 min 表面温度 54.8°C；合成时间：毫秒级。
四、总结展望
本工作以 FJH 非平衡热力学为核心驱动力，在碳气凝胶内原位一步构筑了具有特殊形貌的 SiCNWs-CA 异质界面，建立了以界面极化损耗为主导、多重散射与导电损耗协同增强的吸波机制，同时兼具对热传导、热对流和热辐射三条传热路径的全面抑制，实现了电磁隐身与热防护的多功能集成，为航空航天轻量化隐身材料的设计提供了全新策略。未来可进一步探索 FJH 工艺参数对 SiCNWs 形貌与界面密度的精准调控规律，拓展至宽频段磁性复合体系以突破非磁性材料的吸波上限，并推进大面积均匀制备与复杂结构件成型技术，加速向实用化航空航天隐身结构材料迈进。
原文：Yulong Chen, Ruibin Li, Liangliang Cao, et al. "Non-equilibrium thermodynamics-induced in situ construction of SiCNWs-CA heterointerfaces for augmented electromagnetic wave absorption." Composites Part A, 206 (2026) 109791.
DOI: 10.1016/j.compositesa.2026.109791
