01
研究背景
随着对环境保护和能源利用效率的日益关注，开发新型无害、高效的吸波材料成为了材料科学领域的重要研究方向。静电纺丝碳基吸波材料的研究目前很广泛，因为碳纤维产品具有比表面积高、柔韧性好、结构多样，稳定的化学和物理性质等优势，特别是其出色的介电损耗能力。然而，磁性元件的缺失给实现阻抗匹配带来了突出的挑战，从而阻碍了有效吸收带宽的进一步扩展。将静电纺碳纤维与介电以及磁性成分合成，从而构建出具有介磁特性的复合结构来实现介电和磁特性的同时调制，极大提升了静电纺碳纤维吸收电磁波的能力。
02
研究内容
近日，四川农业大学赵永鹏团队利用简单的静电纺丝-碳化工艺将磁性金属纳米颗粒和一维碳纳米管 (CNTs) 整合到碳纳米纤维中，形成三维核-壳结构的碳纳米纤维网络。如图1所示，优化后的样品在 16.2 GHz 处的反射损耗最小为 -69.2 dB，在 X 和 Ku 波段的有效吸收带宽达到 7.31 GHz，填充量仅为 15 wt%。通过控制前驱体中磁性金属纳米粒子的浓度，可以有效调节核壳结构纳米纤维中磁性粒子的密度和分布，实现对磁损耗和电磁平衡的精确调控。在此前提下，进一步将具有优异导电性的碳纳米管掺入到碳纳米纤维中，增强其导电损耗能力和阻抗匹配特性。这种类型的嵌入方式为创造高性能、轻量级的电磁波吸收器提供了新的视角和概念。
图1 (a, b, c) Ni-CNT/CNFs 的三维和二维反射损耗图像。
图 2b1-d1 中可以看出，炭化后的纤维样品的直径分布相对均匀，而纤维的取向也比较随机。这一特性促进了纤维之间三维导电网络的形成，可以推断样品具有足够数量的电子传递途径。磁性纳米颗粒均匀分布在碳纤维中，呈现球形或不规则形状。总体而言，图2中扫描电镜图像的比较表明，我们的设计方法可以精确控制附着在纳米纤维上的磁性纳米颗粒的数量，这使得控制材料的电磁特性成为可能。
图2 (a) 样品的合成示意图；(b1, b2) Ni-CNT/CNFs(7)，(c1, c2) Ni-CNT /CNFs(10)，(d1, d2) Ni-CNT /CNFs(12) 的扫描电子显微镜图像; (e) Ni-CNT / cnf 的元素映射(10)。
优化后的样品除了拥有优异的电磁波吸收性能，如图3所示，还具有亲水、隔热、耐腐蚀等特性，其机械性能也比较优异，得益于其独特的纤维网络结构以及磁性纳米颗粒和碳之间形成了核壳结构。在这种结构中，纳米纤维膜具有较高的孔隙率，样品外层的碳层起着非常有效的抗氧化剂和抗腐蚀抑制剂的作用，使得材料具有重要的科学价值和广阔的应用前景。
图3 (a) 样品的润湿性测试；(b) 样品的柔韧性；(c) 样品在加热台上的热红外图像；(d) 样品在加热台上加热到 100°C 的表面温度变化曲线；(e) 极化动势曲线；(f) 奈奎斯特图。
图4提供了样品的微波吸收和能量耗散过程的简要总结。首先，磁性元件和碳的集成改善了阻抗匹配，允许电磁波有效的进入到复合材料中。其次，磁性纳米颗粒、碳纳米管和石墨形成的非均匀界面导致多次反射和界面极化损失，从而增强了电磁波的耗散。此外，复合材料内碳纳米纤维的三维互联网络结构促进了电磁波在纤维之间的重复反射，有效地延长了电磁波的传输路径，提高了材料的吸波能力。磁性纳米颗粒嵌入三维互连网络，导致电子迁移和跳跃，产生分布式微电流，提高导电性，同时增加导电性损失。综上所述，磁性纳米颗粒和碳纳米管分别通过磁损耗和导电损耗两种不同的机制促进电磁波吸收。磁性纳米颗粒通过自然共振和涡流损耗增强磁响应，而碳纳米管通过增加电导率和增强极化效应来提高波吸收。两者的协同作用大大提高了材料的电磁波吸收能力，优化了阻抗匹配，提高了材料在宽频率范围内的吸波性能。
图4 Ni-CNT / CNFs 的微波衰减机理示意图。
03
总结展望
本研究为电磁波吸收材料的开发提供了新的思路，并证明了纳米纤维复合材料在该领域的潜力。未来，我们将进一步优化纳米纤维的制备工艺，探索其他功能化材料的加入，以及材料在实际应用中的稳定性和可扩展性。此外，随着对新型材料的不断探索，我们期望这一领域的研究能够为高效、环保的电磁波吸收材料的应用开辟新的方向，为信息安全、无线通信等领域带来更多创新性的解决方案。
04
论文信息
Optimizing electromagnetic wave absorption in electrospun carbon-based fibers through dielectric and magnetic component modulation
Yuchao Wang, Yunlong Liu, Shenglin Yuan, Hui Huang, Zhijun Wu, Lijia Xu and Yongpeng Zhao
Inorg. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QI02776K
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
赵永鹏 教授
四川农业大学
四川农业大学副教授、特聘教授。四川省“天府峨眉”人才计划入选者，硕士生导师。大连理工大学微电子学与固体电子学博士，围绕环境传感、机器学习及电磁兼容等主要研究方向，已在 Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J., Appl. Phys. Lett., J. Mater. Sci. & Tech. 等期刊发表 SCI 论文60篇，其中第一作者/通讯作者30篇，代表性成果发表， ESI 高被引论文5篇，授权相关专利6项。目前主要开展电磁波吸收/屏蔽、电化学传感、温室气体传感等方向的研发。
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