基元调控与基底工程实现石墨烯包覆电磁热织物纤维

随着航空航天、卫星通信及智能穿戴技术的飞速发展，能够同时兼顾承载、电磁波透过和热管理(如除冰、红外伪装)的多功能纤维增强复合材料(FRCs)成为研究热点。然而，传统的透波纤维(如石英、玻璃纤维)是典型的绝缘体，缺乏电学功能；而现有的石墨烯改性手段(如涂层、掺杂)往往面临导电性能不均匀、电阻难以精准控制以及“高导电性与高透波性”之间难以调控的矛盾。因此，如何在原子/分子尺度上揭示石墨烯在纤维表面的生长机制，并实现电学特性的定制，是制备高性能多功能织物的核心挑战。

III 石墨烯在不同沉积温度及激光强度下的缺陷程度及结构演化趋势

为了确定在SiO?表面生长的双层石墨烯结构以及解释其原因，延长了沉积时间并记录了石墨烯的结构演变。在沉积速率较慢的1050 °C下，石墨烯完全覆盖SiO?纤维需要超过2小时的沉积时间(图4)。在1200 °C下，初始沉积不足1小时，石墨烯覆盖仍不连续。延长沉积时间可实现均匀的表面覆盖，并可观察到表面密集堆积的纳米片(多层岛)，拉曼结果显示，当沉积时间达到3 h时，1050 °C的样品出现了G2峰。在1200 °C下延长沉积时间，G2峰逐渐增强并超过G1峰。上述结果证明了SiO?表面生长的双层石墨烯结构的形成。之后，引入了DFT计算并解释石墨烯的生长行为。如图4所示，DFT计算结果(图4)表明，SiO?基底对C?基元的吸附能较低，三层石墨烯基底对C?基元的吸附能较高，并且C?基元在石墨烯基底表面的扩散能低。这意味着在沉积初期，含量占据主导的C?基元易吸附但在SiO?上扩散困难，极易形核，形成缺陷较多的石墨烯。然而，三层石墨烯(G1)形成后，后续C?基元在石墨烯表面的吸附能未明显升高，并且扩散能较低，从而能够有序排列形成高质量的表层(G2)。这种“基底限制-表面自催化”的机制解释了石墨烯质量随厚度增加而提升的原因，也指导了通过控制沉积时间来实现方阻的精细调节。

图4. 石墨烯的微结构演变与DFT理论计算。

为突破导电层导致的电磁屏蔽限制，引入频率选择表面(FSS)结构进行电磁调制。通过对比不同FSS配置，选定“带通型”结构以兼顾宽带通信与焦耳热功能(需保持面内连续导电网络)。利用激光扫描技术，在不损伤纤维基底的前提下，通过热力和机械效应的选择性刻蚀，将连续石墨烯薄膜转化为具有特定电磁响应的超表面。

刻蚀后的织物在8-18 GHz频率范围内透波性能显著提升(峰值达77%)，有效透波带宽(ETB)达5.66 GHz。该材料表现出卓越的机械鲁棒性(弯曲半径低至5 mm时阻值变化极小)和热循环稳定性(100次循环波动<±1 °C)。此外，石墨烯固有的疏水性使其焦耳热性能在不同湿度环境下均能保持稳定，具备应用的潜力。

 图7. 激光刻蚀FSS对织物电磁透波性能的有效调制及其在复杂力学及湿度环境下的热管理稳定性。

在实际集成应用中，石墨烯纤维织物与亚克力板构成夹层结构，亚克力板的相位调制作用将ETB进一步扩展至8.48 GHz(透波率>60%)。研究发现，在焦耳加热过程中，反射与透波谱向低频漂移。机理分析表明，这并非源于石墨烯电阻的变化，而是由于亚克力材料的介电常数实部随温度升高而增加。在105V下，该系统实现了72°C的平衡温度与7.29 GHz的超宽透波带宽，达成了电磁透波与热管理的协同。

与金属纤维(高反射、难图案化)、碳纳米管(阻值偏高)及导电聚合物(稳定性差、调控范围窄)相比，甲醇-CVD生成的石墨烯纤维织物在中低阻值区间展现出无可比拟的精细调控能力、热响应速度及激光图案化潜力。尽管目前受FSS网格化限制存在局部热分布不均，但未来通过引入高导热、透波基底(如BN或Si?N?)提升面内热传输，将为先进电磁-热一体化装备提供理想的材料方案。

图8. 夹层结构的超宽带透波与焦耳加热协同性能。