随着电子设备的广泛使用和无线通信技术的快速发展，电磁辐射污染已成为一个全球性待解决的问题。传统的电磁防护材料虽然具有一定的防护效果，但它们通常不具备自适应性，无法根据电磁环境的变化动态调整其微波吸收（MA）性能。因此，可调节防护性能的刺激响应型电磁防护材料在智能材料领域展示出良好的应用前景。
近日，成都大学李颖研究员和西南交通大学孟凡彬教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Construction of temperature-responsive helical carbon nanofibers-based composites toward switchable microwave absorption”。研究者通过将螺旋碳纳米纤维（HCNFs）泡沫的轻质特性、优异导电性和诱导交叉极化的能力与聚-N异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）的温度响应特性相结合，利用制备的HCNFs泡沫作为结构骨架，构筑了一种名为HGPC的复合材料。HCNFs泡沫不仅提高了复合材料的电损耗和磁损耗能力，而且有效地利用了PNIPAAm的温度响应特性。该研究为智能微波吸收材料的发展提供了新的见解，并建立了基于HCNFs的自适应电磁保护新平台。
采用化学气相沉积法制备了具有轻质特性的HCNFs泡沫（图1a），并进行热退火处理。所制备的HCNFs具有螺旋结构，纤维与纤维之间的间距在50 ~ 400 nm之间，单根纤维的间距直径为1.5 ~ 3µm，管径为250 ~ 340 nm（图1b）。HRTEM、XRD、Raman结果均证明热处理可有效恢复碳纤维的部分缺陷和晶体结构，这有利于增加极化损耗（图1c-e）。图1f揭示了HCNFs具有磁性。最后，通过原位接枝聚合反应将NIPAAm接枝到HCNFs上制备了HGPC。
图1：HCNFs和HGPC的制备和表征。
为探究不同温度下PNIPAAm引起的HGPC结构与性能的变化，进行了一系列测试。20℃时，PNIPAAm链处于伸展状态，HCNFs表面被PNIPAAm均匀包覆（图2b）。50℃时，PNIPAAm链发生卷曲收缩，对HCNFs产生拉力，导致其变形并出现局部断裂（图2c）。差示扫描量热法（DSC）证实了HGPC表现出与PNIPAAm相似的相变行为（图2d-e）。低温下，HGPC保持完整的导电网络。随着温度升高，PNIPAAm收缩使该网络被拉伸并破坏，导致电导率下降（图2f）。以上结果均证明HGPC在结构上具有温度响应特性，从而进一步影响其MA性能。
图2：HGPC的动态调控特性。
基于传输线理论详细计算了HGPC在20℃和50℃温度环境下的反射损耗（RL）（图3）。结果显示，HGPC的MA性能随温度变化呈现出自适应开关效应。在20℃下，HGPC表现出卓越的微波吸收性能。厚度为3.65 mm时，HGPC在7.8 GHz处获得-54 dB的最小反射损耗（RLmin）。同时，当厚度为2 mm时，HGPC展现出4.2 GHz的宽频有效吸收带宽（EAB）。然而，随着环境温度升高至50℃，HGPC在3.5 mm厚度下，在10 GHz频率处的RLmin仅为-9.8 dB，未能达到商业应用要求的最低标准（RLmin<-10 dB）。
图3：HGPC在不同温度下的可切换MA性能。
这种显著的温度响应特性源于HGPC材料独特的微观结构变化机制（图4）。当温度低于LCST时，保持结构完整的HCNFs相互连接形成完善的导电网络，不仅提供了优异的介电损耗能力，还增强了磁损耗能力。当环境温度超过LCST时，PNIPAAm分子链发生显著的构象转变和收缩，这种相变行为直接破坏了HCNFs的结构完整性。断裂的HCNFs导致导电网络中出现大量不连续间隙，削弱了材料的介电和磁损耗能力，最终造成HGPC在高温条件下微波吸收性能的大幅衰减。HGPC中产生的温度响应的可切换MA性能为智能微波吸收材料提供了新的思路。
图4：HGPC的可切换MA机理示意图。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170438
人物简介：
李颖，工学博士，特聘研究员，硕士生导师，意大利米兰理工大学访问学者。主要研究方向为导热复合材料、电磁防护材料和材料模拟计算。主持有国家自然科学基金3项、省部级基金2项、国防重点实验室开放课题1项以及企业横向合作项目2项。在Chemical Engineering Journal、Ceramics International、Carbon等国际学术期刊发表科研论文多篇，授权专利多项。是Small、Journal of Advanced Ceramics等期刊审稿人。
孟凡彬，西南交通大学材料学院教授、博士生导师，四川省杰出青年基金获得者，四川省GF科技菁英人才，四川省“天府青城”GF技术领域青年人才。主要从事电磁防护材料设计、制备及电磁学相关机理研究；以第一/通讯作者在Adv. Sci.，Small，Chem. Eng. J.，Green Chem.等期刊发表SCI论文70余篇；主持国家自然科学基金、国防科工局、军委科技委、装备发展部等纵横向项目40余项。
