研究背景：

随着基于千兆赫兹（GHz）电磁波的通信技术与智能系统快速发展，电磁辐射污染问题日益突出 ——不仅干扰精密电子仪器性能，还威胁环境与人类健康。碳基材料（如碳纤维、碳微球、石墨烯）因轻量化、高介电常数等优势成为候选，但纯碳纤维存在阻抗失配（高导电性导致大部分电磁波反射）与单一损耗机制（限制宽频吸收）的缺陷，需通过多组分复合优化性能。

主要内容：

基于此，陕西科技大学杨海波教授与林营教授团队提出一种组分调控策略，通过静电纺丝技术，将金属有机框架（MOFs）衍生的中空磁性微球嵌入碳纤维中，形成糖葫芦状异质结构（钴@碳纳米纤维，Co@CNFs）。该结构可促进介电损耗与磁损耗之间的协同作用。充分利用多组分协同效应，结合精心设计的异质界面，不仅能增强界面极化，还可优化阻抗与高损耗之间的平衡关系。磁性微球的中空结构有利于电磁波（EMW）的多重散射。此外，改变热处理温度为调节复合材料的介电性能提供了可行方法。结果表明，即便在3 wt%（重量百分比）的超低填料负载量下，Co@CNFs 仍展现出优异的电磁波衰减性能，其反射损耗（RL）可达- 39.7 dB，有效吸收带宽（EAB）为 7.6 GHz。本研究证实了组分调控策略的有效性，为制备轻量化、高性能电磁波吸收材料提供了可行路径。相关研究成果以“Sugar-gourd-like Co@carbon nanofibers for ultralightweight and outstanding electromagnetic wave absorber”为题目，发表在期刊“Journal of Energy Chemistry ”上。

Co@CNFs 的制备过程示意图：

1、将硝酸钴六水合物（Co (NO3)2・6H2O）、2 - 甲基咪唑（2-MI）与十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶解于水溶液中并充分搅拌，通过离心收集得到中空结构的 ZIF-67 微球；

2、将 ZIF-67 微球均匀分散到聚丙烯腈（PAN）纺丝溶液中，在 18 kV 电场下纺丝，制得 ZIF-67@PAN 纳米纤维；

3、在氩气氛围中，经 600℃、700℃、800℃、900℃不同温度热处理，得到糖葫芦状 Co@CNFs。糖葫芦状 Co@CNFs 的多组分协同效应丰富了电磁波（EMW）耗散机制，从而提升了电磁波吸收效率。

图1 (a)糖葫芦样Co@CNFs制备示意图；（b-e）Co@CNFs-1, Co@CNFs-2, Co@CNFs-3， Co@CNFs-4的SEM图像；（f, g）ZIF67微球和（h-j）Co@CNFs-2的TEM图像；(k)高分辨率TEM图像和(l) Co@CNFs-2元素图。

Co@CNFs形貌结构表征：

钴/碳（Co/C）微球均匀分布于碳纤维内部，形成糖葫芦状复合纤维，且这些纤维相互连接构成三维导电网络。当碳化温度为 600℃时，较厚的碳纤维层将中空磁性微球包裹其中，形成大量异质界面；随着碳化温度升至 700℃、800℃，包裹中空磁性微球的碳纤维层因收缩变薄，纤维内部的中空金属微球更清晰可见，此时糖葫芦状结构仍保持完整；当温度达到 900℃时，中空磁性微球坍塌、变薄的碳纤维层破裂，纤维外部出现金属纳米颗粒。

图2. (a) 所有样品的X 射线衍射（XRD）图谱，(b) 所有样品的拉曼光谱；(c~f) Co/C@CNFs-2的高分辨 X 射线光电子能谱（XPS）图谱。

Co@CNFs电磁波吸收性能：

Co@CNFs-1 与 Co@CNFs-4 的电磁波吸收性能较差（图 3a、d）：Co@CNFs-1 虽实现中空金属微球的均匀分布，但低碳化温度导致石墨化程度低，传导损耗不足，削弱了电磁波吸收能力；Co@CNFs-4 的石墨化程度高，介电损耗增强却引发阻抗失配，且高温导致碳纤维破裂、中空金属微球坍塌，异质界面减少，界面极化作用减弱。相比之下，Co@CNFs-2 与 Co@CNFs-3 的性能更优：RL 值分别为 - 39.7 dB 和 - 16.1 dB，EAB 分别为 7.6 GHz 和 6.3 GHz（图 3b、c）。Co@CNFs-2 的优异电磁波衰减能力，主要源于适宜碳化温度带来的最优阻抗匹配。

图 3. (a) Co@CNFs-1、(b) Co@CNFs-2、(c) Co@CNFs-3 及 (d) Co@CNFs-4 的二维反射损耗（RL）曲线。

图 4. (a) 复介电常数的实部、(b) 复介电常数的虚部；(c) 介电损耗角正切（值）；(d) 复磁导率的实部、(e) 复磁导率的虚部；(f) 磁损耗角正切（值）；(g) Cole-Cole 曲线；(h) C0值；(i) Co@CNFs-1 至 Co@CNFs-4 的衰减常数。

Co@CNFs实际应用潜力：

构建由 2.5 mm 厚样品与 2.0 mm 厚理想导电体（PEC）组成的模拟模型，用于计算远场响应中的雷达散射截面（RCS）值（图 5a）。图 5（b~f）为所有样品反射信号强度的三维图像，其中涂覆 Co@CNFs-2 的 PEC 反射信号强度最弱，表明其电磁波吸收性能最优。图 5（g）直观呈现各样品的 RCS 值：Co@CNFs-2 涂层的 RCS 值最低，在 - 90°~90° 角度范围内均低于- 10 dB，表明其对电磁波具有强衰减能力；当 θ=0° 时，Co@CNFs-2 涂层的 RCS 值较纯 PEC 降低 29.0 dB。这些模拟结果证实 Co@CNFs 复合材料在隐身涂层领域的巨大潜力。图 5（h、i）将本研究样品与已报道的碳基复合材料对比，清晰体现了 Co@CNFs 在 “轻量化” 与 “宽 EAB” 方面的优势。

图 5. (a) 雷达散射截面（RCS）仿真模型；(b~f) 三维雷达散射截面图，其中 (b) 为纯理想导电体（PEC），(c)~(f) 分别为覆盖有 Co@CNFs-1、Co@CNFs-2、Co@CNFs-3、Co@CNFs-4 的理想导电体（PEC）基底；(g) 仿真雷达散射截面（RCS）曲线；(h, i) 本研究与以往研究成果在反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）方面的对比。

Co@CNFs 复合材料的电磁波吸收机制：

1、中空磁性微球的引入产生自然共振、交换共振与涡流损耗，磁损耗的加入改善了阻抗匹配，使更多电磁波能进入材料内部并被耗散；

2、碳纤维的三维网络结构与磁性微球的中空结构延长了电磁波传输路径，引发多重散射，进一步促进电磁波耗散；

3、碳纤维具有优异导电性，其相互连接的三维导电网络便于电子迁移与跳跃，进而增强传导损耗；

4、糖葫芦状结构形成丰富的异质界面 —— 在外加电磁场作用下，电荷在碳纤维与中空磁性微球的异质界面处积累，随着交变电场变化，界面电荷不断积累与重新分布，此过程中电磁波通过界面弛豫极化被耗散；

5、碳纤维中的缺陷与含氧官能团（C=O、C-O）可为偶极子提供活性位点，诱导偶极极化，从而增强介电损耗。

综上，Co@CNFs 复合材料通过组分调控与结构设计，实现了多重损耗机制的协同增强，最终展现出优异的电磁波衰减能力。

图 6. Co@CNFs-2 的电磁波（EMW）吸收机制示意图。

结论：

本研究采用基于组分调控的策略，通过静电纺丝技术制备出具有大量异质界面的糖葫芦状 Co@CNFs（钴@碳纳米纤维）。结果表明，糖葫芦状 Co@CNFs 中的多组分调控可促进介电损耗与磁损耗之间的协同作用。此外，中空磁性微球的引入与大量异质界面的构建，显著增强了界面极化，进而优化了阻抗与高损耗性能之间的平衡。在 3 wt%（重量百分比）的超低填料负载量下，Co@CNFs-2（钴 @碳纳米纤维 - 2）的反射损耗（RL）达到−39.7 dB，有效吸收带宽（EAB）为 7.6 GHz。综上，本研究为轻量化、高性能电磁波（EMW）吸收材料的设计提供了具有前景的方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.09.032