通讯作者李斌斌通讯单位南京航空航天大学DOIhttps://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109791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 dBEAB 4.67 GHz厚度仅 1.3 mmRCS 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 SiCNWsCA 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 SiCNWsCA-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 mmRCS 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. 1FJH 合成 SiCNWsCA 的工艺流程FJH 工艺将 SiPTFECA 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 CVDFJH 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2CA 与 SiCNWsCA 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 2gXRD 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SiCNWsCA-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SiCNWsCA-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SiCNWsCA-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SiCNWsCA-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5λ/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SiCNWsCA 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。SiCNWsCA-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6CST 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SiCNWsCA-13.0 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7SiCNWsCA 电磁波衰减机制示意图SiCNWsCA 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SiCNWsCA-1 表面温度仅54.8°C显著低于纯 CA 的 69.4°CSiCNWs 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 dB3.0 mmEAB 4.67 GHz1.3 mmRCS 最大降低 24.53 dB·m²60°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