Nano-Micro Letters | 利用凝胶介导的3D打印石墨烯气凝胶进行双梯度超材料多尺度设计，实现宽带电磁吸收

三维（3D）打印石墨烯气凝胶因其超低密度、卓越的电磁耗散以及制造策略的灵活性和精准性，在电磁波吸收（EWA）工程中具有潜力。然而，其高导电性导致严重的阻抗不匹配，限制了EWA的性能。3D打印需求还限制了可打印石墨烯墨水的介电性能，阻碍了高性能吸收剂与先进制造的集成。本研究提出了一种聚丙烯酸（PAA）凝胶介导的三维多孔氧化石墨烯（GO）气凝胶多尺度调控策略。精确的凝胶含量控制使GO/PAA复合材料的流变学（有利于直接墨水书写DIW）和介电损耗（增强EWA）实现双梯度调节，并降低气凝胶密度（6.9 mg cm）−3 从28.2毫克 cm 起−3).热还原将PAA分解为锚定于还原石墨烯氧化物（rGO）上的非晶碳纳米颗粒，通过协同的0D/2D界面极化和导电损耗增强阻抗匹配和吸收。优化后的rGO/PAA气凝胶在2.5毫米时实现最小反射损耗（RL）−39.86 dB，有效吸收带宽（EAB）为8.36 GHz（9.64–18 GHz），在3.2毫米时。结合DIW和该气凝胶，我们设计了具有双重材料（介电损耗）和结构梯度的超材料吸收体（MA）。该MA展现了14 GHz（4–18 GHz）的超宽EAB，总厚度为7.8毫米。这项工作建立了“成分-结构-性能”的耦合设计范式，为开发轻量宽带EWA材料提供了可工程化的解决方案。该研究以题为“Multiscale Design of Dual-Gradient Metamaterials Using Gel-Mediated 3D-Printed Graphene Aerogels for Broadband Electromagnetic Absorption”发表在Nano-Micro Letters上。

图1

GO/PAA气凝胶的结构演化与成分表征。SEM图像 a 去吧， b G3P1， c G1P1， d G1P3。 e 复合气凝胶结构单元的示意图。 f rG1P3的扫描扫描仪图像。C1s XPS光谱 g 加油气凝胶， h G1P3气凝胶。 我，J rG1P3石墨烯片层上0D/2D异质界面的SEM。 K，L rG1P3纳米片的透视电显微镜（TEM）。 m 自由红外光谱（FOIR）的Go、G3P1、G1P1、G1P3。 n Go、G3P1、G1P1和G1P3的XRD模式。 o TGA谱包括rGO、rG1P3和rPAA。 p 拉曼光谱和 q XPS对Go、G1P3、rGO和rG1P3的巡天光谱。 r （R）GO、（R）G3P1、（R）G1P1 和 （R）G1P3 气凝胶的密度，“R” 表示热还原后的气凝胶

总结

本研究提出一种凝胶介导的3D打印策略，通过将聚丙烯酸凝胶引入氧化石墨烯分散液中，调控复合墨水的流变性与介电性能。随着PAA含量增加，氧化石墨烯片层分散更均匀，气凝胶密度从28.2 mg/cm³降至6.9 mg/cm³（热还原后进一步降至4.8 mg/cm³）。热还原过程中，PAA分解为无定形碳纳米颗粒，原位锚定在还原氧化石墨烯片层上，形成0D/2D异质界面，增强了界面极化和传导损耗。优化后的rG1P3气凝胶在2.5 mm厚度下最小反射损耗达-39.86 dB，3.2 mm厚度下有效吸收带宽为8.36 GHz（覆盖9.64–18 GHz），且阻抗匹配显著改善。

基于该梯度介电气凝胶体系，研究进一步利用直写3D打印构建了材料-结构双梯度超材料吸收器：上层匹配层采用大孔结构与低介电损耗的rG1P3，下层吸收层采用小孔结构与高介电损耗的rG1P1。通过有限元仿真优化层数、线径和孔径，实验测试表明该超材料在7.8 mm总厚度下实现了4–18 GHz的超宽带吸收（有效吸收带宽14 GHz），覆盖C、X、Ku波段。该工作通过跨尺度耦合材料本征损耗与人工拓扑结构，为轻质、宽带电磁波吸收材料的设计与制造提供了新路径。

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