西安交大《AFM》：PμSL 3D打印石墨烯气凝胶实现超宽带吸波性能

在5G/6G通信与现代隐身技术的双重驱动下，轻质、宽带、强吸收的电磁波吸收材料成为研究热点。石墨烯气凝胶密度超低、损耗优异，是具有潜力的候选之一，而将微观多孔网络与宏观几何拓扑相结合的多尺度架构是强化吸收性能的有效途径。然而，此类多尺度架构的制造能力长期滞后于设计构想：传统模板法受脱模限制，无法成形含悬垂、内凹与连续曲面的复杂拓扑，精度也较粗糙；墨水直写3D打印（DIW）虽可宏观成形，但却受墨水流变性与喷嘴直径双重制约，高浓度石墨烯墨水易堵塞喷嘴，低黏度墨水打印后又易塌陷，精细特征难以实现。总的来说，成形精度、几何复杂度与材料适配性三者难以兼得，正是多尺度吸波气凝胶走向应用的核心瓶颈。

近期，西安交通大学陈小明教授、邵金友教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊上在线发表题为“3D Printed Templating of Spatially Curved Multiscale Graphene Aerogels for Ultra-Broadband Microwave Absorption"的原创性论著。该工作提出一种3D打印辅助双牺牲模板（double-sacrificial templating, DST）策略，实现了空间曲面多尺度石墨烯气凝胶的高保真成形，将宏观梯度Gyroid拓扑与微观定向排列孔壁网络协同集成，获得9.25 GHz的超宽有效吸收带宽与−62.42 dB的最小反射损耗，为复杂几何多尺度轻质吸波结构的可控制造提供了全新的技术路径。

首先，作者通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（microArch® S240A，精度：10 μm），打印出定义宏观拓扑的可溶性树脂骨架（牺牲模板I）；随后灌注熔融石蜡并固化，以碱性溶液选择性溶解树脂，得到形状互补的反向石蜡模具（牺牲模板II）；再将石墨烯/聚酰胺酸（PAA）浆料真空灌注入蜡模，经液氮定向冷冻在孔壁内构建微观定向孔道，冷冻干燥后溶解石蜡脱模，最终热亚胺化得到石墨烯/聚酰亚胺（Gr/PI）多尺度气凝胶（图1a-e）。该方法将3D打印机的微米级成形精度完整传递到最终气凝胶上，且规避了石墨烯浆料无法直接打印、以及硬质模具无法脱模这两大难题。此外，作者利用该方法制造了简单立方、八面体桁架、Schwarz P曲面等多种拓扑构型，展示出优异的几何结构普适性（图1f-h）。

图2a–c的SEM表征完整呈现了“树脂模板→蜡质反模→石墨烯气凝胶"的形貌传递链条。三者在棱边轮廓、曲面过渡与特征尺寸上高度一致，悬垂与内凹部位均得到完整转印，未见塌陷或缺棱，表明两次复型过程实现了近乎无损的结构保真。SEM放大视图进一步显示，气凝胶孔道取向连续、孔径分布均匀，说明宏观拓扑的精确成形并未牺牲微观多孔网络的规整性。EDS元素均匀分布及Raman、XPS结果则印证了材料组成的均一性与还原反应的充分进行（图2d-h）。

介电与吸波测试结果显示，宏观结构的引入大幅提升了材料利用效率（图3）：无宏观结构的实心气凝胶因介电常数过高而引起严重阻抗失配，15 mg cm−3的石墨烯填料浓度下吸收带宽仅为5.41 GHz；而Gyroid多尺度气凝胶G15-V40在3.14 mm厚度下吸收带宽达到7.35 GHz，等效石墨烯浓度仅6 mg cm−3。

在此基础上，作者沿厚度方向进一步构建了体积分数由表及里递增的梯度Gyroid架构（G15-V40-S1/S2/S3）（图4a,b）。连续变化的梯度拓扑对成形能力提出了更高要求。SEM截面图像结果显示，结构梯度过渡平滑、层间无明显分界，最小宏观骨架厚度约150 μm（图4c,d）。吸收带宽随梯度增大而扩宽，G15-V40-S3在3.31 mm厚度下实现9.25 GHz的有效吸收带宽和−62.42 dB的吸收强度（图4e-j）。与已报道的石墨烯气凝胶及3D打印气凝胶相比，本工作在填料密度、吸收带宽、吸收强度三项指标上均占据明显优势（图4k,l）。

远场散射性能进一步验证了应用潜力。PEC金属板在法向呈现强镜面反射；涂覆实心G15与均匀G15-V40可部分抑制散射；而梯度G15-V40-S3几乎消除了镜面反射主瓣（图5a,b），在14 GHz与16 GHz下的RCS减缩分别达到29.98 dB与43.74 dB，且在−30°～+30°宽角域内均保持优势（图5c-h），展现出良好的宽频、宽角隐身能力。

总结：该工作发展了一种3D打印辅助双牺牲模板（DST）制造策略，构建了兼具宏观梯度Gyroid拓扑与微观定向孔壁网络的多尺度层级化石墨烯气凝胶，突破了传统气凝胶成型方法难以成形复杂曲面、制造精度不足、材料适应性差等瓶颈，实现了宏观复杂曲面拓扑与微观定向孔道的一体化制造，并由此获得轻质、超宽带、强吸收的电磁波吸收材料。该策略对材料体系和几何构型均具有良好的开放性，为下一代轻质电磁防护与隐身器件提供了制造范式。