江南大学刘天西、王子成等：阻抗/隔热双梯度结构聚酰亚胺纤维构筑及其多频谱兼容隐身

研究背景

随着军事探测技术的快速发展，战场环境中军事目标的暴露风险显著上升。军事装备在运行过程中，其内部的电子系统不仅会引发强烈的电磁反射，还会产生明显的红外辐射信号，因而极易被敌方雷达与红外探测设备识别和锁定。与此同时，飞机通信模块及其电子系统向外辐射的电磁信号还可能被敌方电子情报系统截获并加以分析，进而实现对目标的精准定位。因此，开发兼具电磁干扰(EMI)屏蔽、雷达隐身与红外隐身等多频谱兼容隐身能力的材料设计与制备，已成为军事伪装领域的重要研究方向与热点。

Dual-Gradient Impedance/Insulation Structured Polyimide Nonwoven Fabric for Multi-Band Compatible Stealth

Xinwei Tang, Wei Hong, Hongmiao Gao, Shuangshuang Li, Wei Li, Kaixin Lai, Mingzhen Xu, Zaiyin Hu, Yan Li, Zicheng Wang*, Tianxi Liu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 130

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01966-z

本文亮点

1. 材料体系创新：通过碱处理、Fe3⁺离子交换、热还原和化学镀镍工艺，制备了新型强界面相互作用的磁性聚酰亚胺纤维复合材料。

2. 结构策略创新：通过利用不同介电常数/磁导率聚酰亚胺纤维复合材料协同构筑阻抗/隔热双梯度结构，赋予材料沿厚度方向自上而下逐渐降低的阻抗与隔热特性。

3. 兼容性能强：阻抗/隔热双梯度结构的合理构筑成功赋予复合材料以优异的电磁屏蔽、耐高温雷达与红外兼容隐身性能。

内容简介

江南大学刘天西教授团队开发了一种新型阻抗/隔热双梯度结构聚酰亚胺纤维复合材料，有望应用于电磁干扰(EMI)屏蔽、雷达隐身与红外隐身等多频谱兼容领域。在本研究中，首先，采用碱处理、Fe3⁺离子交换、热还原以及化学镀镍工艺，制备了一种新型强界面相互作用的磁性聚酰亚胺纤维复合材料(PFNy)。通过调控Fe₃O₄的原位生长过程与化学镀镍过程，可实现其阻抗匹配/隔热特性的可控调节。随后，通过将阻抗匹配/隔热特性沿厚度方向自上而下逐级降低的PFNy进行层层叠来构建阻抗匹配/隔热双梯度结构。阻抗梯度结构的构筑能够促进更多电磁波进入材料内部并进行高效耗散，赋予了复合材料优异的EMI屏蔽性能(SET > 45 dB，6-40 GHz)和雷达隐身性能(RLmin = -23.87 dB，EAB > 22.1 GHz)。同时，纤维复合材料中三维蓬松网络结构和隔热梯度结构的形成，使复合材料获得较低的热导率(0.0659 W m⁻1 K⁻1)，并表现出优异的红外隐身效果。更为关键的是，Fe₃O₄、Ni与PI纤维之间形成的强界面相互作用可有效增强复合材料对来自高温热源应力的抵抗能力，从而实现耐高温雷达/红外兼容隐身。

图文导读

I 从“纤维”到“可编程阻抗/隔热双梯度结构”：材料结构设计与制备

如图1所示，通过对聚酰亚胺纤维进行碱处理、Fe3⁺离子交换、热还原和“强粘结”化学镀镍工艺得到金属化磁性聚酰亚胺纤维复合材料。通过改变化学镀镍时间实现对镍纳米粒子含量及纤维磁性能的有效调控。

图1. PFNy制备流程示意、结构/磁性表征及不同镀镍条件下形貌与元素分布。

图2. PFNy的电磁参数、阻抗匹配、衰减特性及双梯度结构对于反射损耗性能的有效性验证。

II 阻抗梯度让电磁波“少反射、多耗散”：超低反射电磁屏蔽

通过镀镍时间来优化复合材料PFNy的阻抗和衰减特性，从而降低电磁波在材料表面的反射并促使其进入材料内部进行高效损耗，获得以吸收为主的低反射电磁屏蔽。并通过自制的10.5 GHz电磁波收发装置及实时电磁反射监测系统验证了双梯度结构纤维复合材料的不对称性低反射电磁屏蔽性能。

图3. 双梯度结构纤维复合材料的低反射电磁屏蔽性能及其演示。

III 多波段覆盖：宽频雷达隐身性能

图4. 不同入射角下的反射损耗、RCS仿真结果及雷达隐身机理示意图。

阻抗梯度结构的有效构筑成功赋予复合材料以优异的雷达散射截面积衰减性能(RCS，10 dB m2)。本研究通过拱形架法测试其雷达隐身性能，结果表明：PFN5-8-80在入射角5°~60°范围内其有效吸收带宽EAB ˃ 22.1 GHz，覆盖C、X、Ku、K和Ka波段。如此优异的雷达隐身性能可归因于PFN5-8-80内阻抗梯度结构与多重耗散机制间的协同作用，例如Ni的导电损耗、Ni与Fe₃O₄的磁损耗、Ni/Fe₃O₄与PI纤维之间的界面极化损耗，以及纤维之间的多重散射。

IV 阻抗/隔热双梯度结构：高温红外与雷达兼容隐身

阻抗梯度结构的有效构筑成功赋予复合材料以优异的雷达散射截面积衰减性能(RCS，10 dB m2)。本研究通过拱形架法测试其雷达隐身性能，结果表明：PFN5-8-80在入射角5°~60°范围内其有效吸收带宽EAB ˃ 22.1 GHz，覆盖C、X、Ku、K和Ka波段。如此优异的雷达隐身性能可归因于PFN5-8-80内阻抗梯度结构与多重耗散机制间的协同作用，例如Ni的导电损耗、Ni与Fe₃O₄的磁损耗、Ni/Fe₃O₄与PI纤维之间的界面极化损耗，以及纤维之间的多重散射。

图5. 热导率与红外成像、高温下雷达/红外兼容隐身性能。

在红外隐身方面，聚酰亚胺纤维复合材料内部三维蓬松结构与隔热梯度结构的协同作用，能够有效降低热传导并抑制热量向外表面传递，使复合材料外表面辐射温度显著低于热源温度。更重要的是，复合材料在200 °C高温环境长时间处理后仍能维持雷达/红外隐身性能，验证了Fe₃O₄/Ni与PI纤维之间的强界面结合及抗氧化稳定性。因此，如此优异的耐高温雷达/红外兼容隐身性能使得PFN5-8-80有望应用于高温条件下的军事伪装领域。

图6. PFN5-8-80潜在应用场景示意图。

V 总结

本研究通过碱处理、Fe3⁺离子交换、热还原和化学镀镍工艺，制备了一种新型阻抗/隔热双梯度结构聚酰亚胺纤维复合材料。通过调控Fe₃O₄的原位生长与化学镀镍过程实现其阻抗匹配/隔热特性的可控调节。随后，通过将阻抗匹配/隔热特性沿厚度方向自上而下逐级降低的PFNy进行层层叠来构建阻抗匹配/隔热双梯度结构。阻抗梯度结构的合理构筑诱导更多电磁波进入材料内部并进行高效耗散，成功赋予复合材料以优异的电磁屏蔽性能(SET >45 dB，6-40 GHz)和雷达隐身性能(RLmin = -23.87 dB，EAB > 22.1 GHz)。同时，聚酰亚胺纤维复合材料内部三维蓬松结构与隔热梯度结构的成功构建赋予其较低的热导率性能(0.0659 W m⁻1 K⁻1)，实现优异的红外隐身性能。更重要的是，Fe₃O₄、Ni和PI纤维之间强烈的界面相互作用使得复合材料能够抵抗高温热源(200 °C)带来的热冲击，实现耐高温雷达/红外兼容隐身。如此优异的雷达/红外兼容隐身性能使其在高温条件下的军事伪装领域具有广阔的应用前景。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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