随着无线电技术的高速发展，电磁波在发挥重要作用的同时也造成了严重的电磁污染。电磁波吸收材料（简称吸波材料）能够吸收入射到材料表面的电磁波并将其以热能等形式耗散，从而实现电磁波的有效吸收。轻质、稳定、形貌可控的碳纳米纤维在吸波领域具有巨大优势。然而，单一碳纳米纤维的阻抗匹配特性较差，这使得开发高性能碳基吸波材料成为一项挑战。
近日，大连理工大学蹇锡高院士团队在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表了最新研究成果“Lure the ‘enemy’ deep: An innovative biomimetic strategy for enhancing the microwave absorption performance of carbon nanofibers”。论文第一作者为大连理工大学博士研究生邓雨，通讯作者为陈友汜研究员。研究者受“诱敌深入”策略启发，通过同轴静电纺丝高温碳化工艺制备了新型树状异质碳纳米纤维（co-CPAN@PVP），与单轴所制的CPAN-1和CPAN-2/PVPV相比，co-CPAN@PVP表现出更加高效的电磁波吸收能力。本文还引入了一种回收和再利用废弃电磁能和热能的解决方案，有可能缓解紧迫的环境和能源挑战。
图1：co-CPAN@PVP制备流程图。
同轴碳纳米纤维的壳层（即“树皮”）由聚丙烯腈（PAN-2）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合物组成，核层（即“树干”）是由聚丙烯腈（PAN-1）制成的。在高温碳化过程中，“树皮”的异质结构导致纤维表面形成非均匀的碳结构，形成容易被电磁波穿透的通道。由“树干”的碳结构形成的导电路径，结合“树皮”的极化位点，促进了电磁波衰减。
图2：（a-c）各个样品的TEM图像；（d）XRD图谱；（e）拉曼光谱；（f）各个样品的电导率。
Co-CPAN@PVP在1.8-5 mm内均展现了优异的吸波性能，电磁波吸收效率可达99%以上，电磁波吸收范围可几乎覆盖整个C波段（4-8 GHz）和Ku波段（12-18 GHz）。在1.8 mm的超薄厚度下，co-CPAN@PVP的RLmin值可达-55.19 dB，并可实现5.695 GHz宽的有效吸收，比反射损失值和比吸收带宽值分别可达204.41 dB/mm和21.09 GHz/mm。
图3：各个样品的3D反射损耗及3D反射损耗投影图。
Co-CPAN@PVP在酸、碱、盐、乙醇和丙酮中浸泡一周后，电磁波吸收性仍能保持在99.9%（≤-30 dB）以上，并能保持3.825 GHz以上的电磁波吸收范围，表明其具有良好的环境适应性和在恶劣环境下稳定的电磁波吸收能力。
图4：（a）co-CPAN@PVP的阻抗匹配值；（b）衰减常数；（c）co-CPAN@PVP的Cole-Cole曲线；（d）co-CPAN@PVP的RL和tm对应曲线（e）co-CPAN@PVP的RL和Z对应曲线；（f，g）co-CPAN@PVP在恶劣环境中的吸收性能；（h，i）近年来碳基吸波材料性能比较。
为提高废旧电磁能量和废旧热能的利用效率，构建了如图5 a所示的电磁能量转换装置模型。co-CPAN@PVP的ws值均在59%以上，表明co-CPAN@PVP可以有效地存储在 2-18 GHz 频率内吸收的电磁能量，co-CPAN@PVP的wd值可以稳定地保持在26%以上，最高可达41%，表明其具有较高的电磁波转换能力。该装置可实现废旧电磁能的转化和再利用，为电磁能的环境保护和高效利用开辟了一条新途径。
图5：（a）电磁波转换装置示意图；（b）电磁波储能效率（ws）和转换效率（wd）；（c）各机制电磁波转化效率；（d）ε"p和ε"c。
通过同轴静电纺丝结合高温碳化制备了具有异质结构的树状co-CPAN@PVP，co-CPAN@PVP表现出优异的电磁波吸收能力，并且在恶劣环境中仍能保持高性能保持率。Co-CPAN@PVP的优异吸波性能主要来自其受“诱敌深入”策略启发的杂元素掺杂和独特的多级异质结构。此外，co-CPAN@PVP在能量转换方面的潜力对设计废旧电磁能和热能回收利用装置提供了新的思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/d4ta06702a
人物简介：
陈友汜，大连理工大学研究员，博士生导师。首批教育部“全国高校黄大年式教师团队”、科技部“重点领域创新团队”、辽宁省“兴辽英才计划”高水平创新创业团队、辽宁省优秀研究生导师团队核心成员。主要开展热塑性复合材料、高性能碳材料、智能高分子材料等相关研究。在Advanced Functional Materials、Composites Science and Technology、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry A、Chemistry of Materials、Polymer Degradation and Stability等期刊发表论文80余篇，授权发明专利10余件，参与编写著作2部。
