随着5G通讯技术的迅猛发展，电磁污染已成为亟待解决的严峻问题。静电纺丝制备的复合纳米纤维，凭借低密度、高柔韧性、易加工等优势，成为极具潜力的电磁波（EMW）吸收材料。本研究通过静电纺丝技术，将立方形貌沸石咪唑酯骨架-67（ZIF-67）均匀复合于聚丙烯腈（PAN）纤维中，经不同温度煅烧，制备出碳纳米纤维/氧化钴/钴/氮掺杂碳（CNFs/CoO/Co/NC）复合纤维。以立方形貌ZIF-67为基元构建磁性碳复合材料，并与CNFs形成竹节状复合纤维结构。其独特微观结构与煅烧温度的合理选择，为能量及电荷传输搭建通道，大幅增加复合纤维内部电磁波的多重散射效应。通过精准调控煅烧温度与优化阻抗匹配，获得的CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的电磁波吸收性能得以显著提升，同时提出了潜在的电磁损耗机制。

近日，安徽理工大学疏瑞文教授团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Synthesis of PAN/ZIF-67 derived composite fibers through electrospinning technology with superior Ku-band electromagnetic absorption performance”。该团队借助室温搅拌、静电纺丝及后续煅烧工艺，成功制备出CNFs/CoO/Co/NC复合纤维。得益于独特微观结构与合理煅烧温度的协同作用，这种复合纤维具备多元损耗机制和良好阻抗匹配特性。通过精准调控煅烧温度、优化阻抗匹配，CNFs/CoO/Co/NC复合纤维对电磁波的吸收性能实现显著提升，为碳基高效电磁吸波材料研发提供了新路径。

图1：CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的制备过程示意图

图1为CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的制备过程示意图。首先，采用室温搅拌法合成立方形貌ZIF-67。它是通过钴离子（Co2+）和2-甲基咪唑（2-MIM）的配位自组装实现的。其次，通过静电纺丝工艺制备了PAN/ZIF-67复合纤维。最后，采用煅烧处理实现PAN/ZIF-67向CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的转化：PAN碳化形成CNFs，ZIF-67中Co²⁺还原为金属Co并部分氧化为CoO，2-MIM配体分解后氮原子掺入碳骨架形成NC。

图2：S2样品的SEM图像 (a)−(b)；TEM图像 (c)；HRTEM图像 (d)−(e)；SAED 图像 (f)−(g)；暗场图像 (h)；相应的EDS图谱：C (i)，N (j)，O (k)和Co (l)

利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了S2的微观形貌。如图2(a)−(c)所示，立方碳骨架有效地集成在CNFs中，形成竹节状复合纤维。如图2(d)−(e)所示，高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像清晰地显示了对应于CoO的（111）晶面（d = 0.245 nm）和金属Co的（111）晶面（d = 0.209 nm）。所选图2(f)−(g)中的选区电子衍射（SAED）图像进一步验证CoO和Co的共存。EDS mapping图像显示了C、N、O和Co元素分布于S2中。值得注意的是，Co元素均匀分布在碳骨架内。

图3：填充率为10 wt.%时样品的三维反射损耗图及二维等高线图：S1 (a)−(b), S2 (c)−(d), S3 (e)−(f)；S2在2.6到3.8 mm范围内的最大EAB (g)；S2的RLmin随d变化的直方图 (h)；S2与其他类似复合纤维吸波性能的雷达图对比(i)

如图3所示，在10 wt.%的低填充率（fw）下，当匹配厚度（d）为3.2 mm时，S2样品观察到明显的双波段（部分X波段和整个Ku波段）电磁波吸收特性，在10.08−18 GHz频段实现7.92 GHz的最大有效吸收带宽（EAB）。然而，当d为2.56 mm时，实现了最小反射损耗（RLmin）达-63.71 dB。结果表明，通过精确控制煅烧温度和优化阻抗匹配，显著提高了CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的电磁吸收性能。

图4：RCS模拟曲线(a)；PEC模型及其S1、S2和S3覆盖在PEC上的模型的远场仿真结果(b)−(e)；PEC模型及其S1、S2和S3覆盖在PEC上的模型在-180°到180°范围内的RCS值(f)−(i)

采用计算机仿真技术（CST）模拟三个不同温度煅烧下的复合纤维的雷达散射截面（RCS）值，验证了复合纤维的电磁吸收性能。如图4所示，CNFs/CoO/Co/NC复合纤维（S2）覆盖的理想电导体（PEC）呈现最弱的散射信号和最低的RCS值（-52.37 dB·m2），表明其具有最强的雷达散射耗散能力。S2出色的RCS性能显示了其在实际应用中的巨大潜力。

图5：CNFs/CoO/Co/NC复合纤维的电磁波吸收机理示意图

综上所述，本文通过室温搅拌、静电纺丝和随后的煅烧工艺制备了PAN/ZIF-67衍生的CNFs/CoO/Co/NC复合纤维，该复合纤维展现出“薄、轻、宽、强”的电磁吸收特征。由于其独特的微观结构和煅烧温度的合理选择，CNFs/CoO/Co/NC复合纤维表现出多种耗散机制和良好的阻抗匹配，交织和缠结的纤维结构促进了电荷和能量的转移，从而增强了入射波的多重散射。此外，组分协同作用和丰富异质界面的构筑显著提高了复合纤维的电磁耗散能力。采用实验、理论和仿真结合的研究方法揭示了复合纤维对电磁波的衰减损耗机制。因此，本研究为静电纺丝制备PAN基复合纤维用于轻质、高效、宽带电磁吸收剂提供了新思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120531

人物简介：

疏瑞文，安徽理工大学教授，博士生导师，安徽省杰出青年科学基金获得者，安徽省C类高层次人才（省部级领军人才），特种聚合物安徽省重点实验室副主任，全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力榜单”和“年度影响力榜单”（World's Top 2% Scientists，Elsevier & 美国斯坦福大学）入选者，为安徽省优秀青年研究生导师、安徽省优秀硕士学位论文指导教师、淮南市“50·科技之星”创新团队带头人（碳基电磁吸收功能材料研发团队）、安徽理工大学校学术委员会委员、安徽理工大学第六轮学科方向带头人（化工新材料及应用方向团队）。担任中国复合材料学会电磁复合材料分会委员、中国职业安全健康协会青年工作委员会委员、中国职业安全健康协会工业防毒专业委员会第六届委员会副秘书长，《粉末冶金材料科学与工程》期刊编委，《Advanced Powder Materials》、《Research》、《SusMat》、《InfoMat》、《Energy & Environmental Materials》、《Rare Metals》等期刊青年编委。主要从事碳基磁性/介电复合材料的设计制备、结构调控及其在电磁吸波领域中的基础和应用研究。主持国家自然科学基金、安徽省杰出青年科学基金、中国博士后科学基金、安徽省高校自然科学研究项目等科研项目10余项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文94篇，其中中科院一区Top期刊论文54篇，论文被Web of Science数据库引用5600余次，单篇引用大于100次的论文16篇，H因子43，先后入选ESI高被引论文19篇、热点论文10篇，授权中国发明专利11项。