北化贾晓龙教授、杨小平教授团队Small封面文章: 多级异质结构修饰再生碳纤维实现高效吸波性能

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随着5G通信技术的高速发展，由此产生的电磁辐射干扰也越来越引起人们的重视。为了避免电磁辐射污染对电子设备和人类健康的危害，急需开发各类高效电磁波屏蔽和吸收材料。特别是高效电磁波吸收材料，可以通过将电磁波吸收并转换为其他形式的能量耗散掉，防止电磁波在材料表面的反射，可有效避免二次电磁辐射污染。

碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀、高导电等优点，被广泛运用于航空航天、汽车工业、风电叶片、电子等行业，碳纤维巨量的应用也带来了回收再利用的问题。北京化工大学贾晓龙教授、杨小平教授团队从2014年开始关注碳纤维的回收再利用问题，并与美国波音公司合作致力于开发碳纤维高效回收再利用技术，通过合理利用再生碳纤维优异的机械性能、导电、导热性能，开发了一系列结构-功能一体化再生碳纤维复合材料。前期，该研究团队通过对再生碳纤维表界面改性，同步提高了其复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987.）在此基础上，进一步研究了再生碳纤维排列方式对电磁屏蔽的影响规律，并通过取向和铺层设计实现了其复合材料的高效电磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2021, 211, 108656.）此外，该团队还探索了这种结构-功能一体化再生碳纤维复合材料在消费电子领域的应用，采用再生碳纤维制备的笔记本电脑的外壳具有优异的抗摔、抗电磁干扰性能，且成本优势显著，该成果也获得了2018“光威杯”大学生复合材料科技创新竞赛全国特等奖。

上述研究表明，再生碳纤维作为一种低成本、高导电的一维材料，非常适合用作高效电磁波屏蔽材料中的导电填料，同步实现电磁屏蔽和机械性能的增强。然而，如果要开发再生碳纤维基电磁波吸收材料，则必须优化其阻抗匹配减少电磁波在表面的反射，并加强其电磁波损耗能力以限制电磁波的逃逸。近期，该团队开发了一种MOF基衍生的多级异质结构原位组装于再生碳纤维表面实现了超高效率的微波吸收性能。如图1所示，采用再生碳纤维纸作为导电基底原位自组装MOF前驱体阵列，并通过自催化热解制备得到了1D@2D@1D的多级异质结构，在1.8 mm 的超低厚度下，比吸波性能（最小反射损耗/填料含量）达到了-1002 dB。

图1. 1D@2D@1D的多级异质结构制备及调控示意图

通过简单的调节生长液中金属离子的浓度，可以实现前驱体从针状到箭状再到叶状的形貌调控。随后，这些前驱体阵列在高温下被热解成为碳纳米片阵列，并在Co的自催化作用下碳纳米片上原位生长出了碳纳米管丛林，从而形成了典型的1D@2D@1D多级异质结构碳材料。（图2）

图2. MOF前驱体及其衍生物修饰碳纤维的结构扫描电镜图

从图3可以看出，具有典型1D@2D@1D多级异质结构的样品表面的阵列结构有利于电磁波的多次散射，丰富的孔隙结构也有利于阻抗匹配的改善，原位自催化生长的碳纳米管具缠结在碳纳米片上有利于传导损耗的加强，且其顶端封装有磁性金属Co纳米颗粒，这种异质结构在电磁波下的界面极化也加强了材料的介电损耗。

图3. 具有典型1D@2D@1D多级异质结构的样品（ZIF@CF-3）的电镜及EDS Mapping图

图4截取了1D@2D@1D多级异质结构薄厚度段样品的吸波性能，在5 w.t%的填料含量下，1.8 mm厚度的最小回波损耗达-51 dB，1.6 mm厚度的有效吸波宽度达4.82 GHz。与其他碳纤维基或MOF基材料相比，该材料实现了超高效率的微波吸收性能，并且展现出优异的综合性能。

图4. 薄厚度段样品的吸波性能及其与其他同类材料的性能对比

本工作以低成本的再生碳纤维作为基材，采用简单的自组装和自催化热解制备得到1D@2D@1D多级异质结构，通过改善阻抗匹配减少电磁波在表面的反射，加强传导损耗和介电极化损耗减少电磁波的逃逸，实现了超高效率的电磁波吸收性能，使材料兼具出色的RL，宽的EAB，薄的厚度和低的填料含量，为高效电磁波吸收材料的结构设计提供了新视角。

图5. 1D@2D@1D的多级异质结构的微波吸收机理

以上研究成果以“Integrating Multi-heterointerfaces in a 1D@2D@1D Hierarchical Structure via Autocatalytic Pyrolysis for Ultra-Efficient Microwave Absorption Performance”为题，发表于Small上。北京化工大学还献华博士为论文第一作者，通讯作者为北京化工大学贾晓龙教授。

该研究受到国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科学基金（No. 2192044）、中央高校基本科研基金（No. XK1802-2）、北京化工大学青年英才计划、有机无机复合材料国家重点实验室开放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）、中国工程院咨询研究项目（No. 2020-XY-81）等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202105411

作者简介

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第一作者简介

还献华，北京化工大学材料科学与工程学院2018级硕博连读生，师从贾晓龙教授，主要研究方向为再生碳纤维高效、高值化再利用和碳纤维基电磁屏蔽及吸波材料。曾获北京化工大学校长奖学金、“光威杯”中国大学生高性能复合材料科技创新竞赛全国特等奖、有机无机复合材料国家重点实验室博士生学术论坛三等奖等。作为项目骨干参与国家重点研发计划项目2项、企业横向项目2项，在Small、Compos Part B: Eng等期刊上以第一作者发表SCI论文4篇，申请并获得授权国家发明专利7项。

通讯作者简介

贾晓龙，现任北京化工大学教授、博士生导师、材料学院复合材料系主任、碳纤维及功能高分子教育部重点实验室副主任，入选国家青年人才、北京市高等学校青年英才等，获2021 年中国复合材料学会青年奖，获省部级科技奖励3项，承担国家级重点项目近20项，发表 SCI论文60余篇、专利50余项(授权40余项）。

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