电子技术的飞速发展带来电子设备数量激增，催生了日益复杂的电磁环境，进而推动了对高性能电磁防护材料的迫切需求。在此背景下，开发兼具电磁波吸收与隔热功能的多功能材料已成为研究热点。
本研究通过对比锆金属有机框架（Zr-MOF）与聚丙烯腈（PAN）的两种复合策略，系统探究了材料电磁性能的差异。在水相合成法中，Zr-MOF生长于预先纺制的PAN纤维表面（ex‑CNFs/ZrO2/C）；而将Zr-MOF直接复合在PAN纤维内部（in‑CNFs@ZrO2/C）。结果表明：in‑CNFs@ZrO2/C形成独特的三维网络核壳结构，为电荷传输搭建通道，大幅增加复合纤维内部电磁波的多重反射效应；同时，碳纳米纤维（CNFs）、二氧化锆（ZrO2）和碳骨架间的异质界面显著提升了界面极化损耗。in‑CNFs@ZrO2/C表现出更出色的电磁波吸收性能、雷达隐身和隔热性能。
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“Zirconium metal-organic framework decorated polyacrylonitrile derivative composite fibers via electrospinning: construction of a continuous conductive network for integrated electromagnetic wave absorption, radar stealth and thermal insulation”。该团队对比Zr-MOF与PAN两种不同的复合策略对所得复合纤维电磁特性的影响进行了系统性研究。考察了ex‑CNFs/ZrO2/C和in-CNFs@ZrO2/C的微观结构、形貌和电磁参数。结果表明，in-CNFs@ZrO2/C复合纤维具有出色的电磁波吸收、雷达隐身和隔热性能。具体而言，煅烧后形成的三维网络核壳结构促进了高效的电子传输路径，而偶极极化则有助于提高介电损耗。此外，CNFs、ZrO2和碳骨架之间丰富的异质界面显著改善了界面极化损耗。这项研究为碳纤维基轻质高效多功能电磁吸波材料的研制提供了一种新颖且实用的策略。
图1：ex‑CNFs/ZrO2/C和in-CNFs@ZrO2/C的制备过程示意图。
图1展示了两种不同结构的in-CNFs@ZrO2/C和ex-CNFs/ZrO2/C的制备过程。策略Ⅰ（in-CNFs@ZrO2/C）：将Zr‑MOF分散于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后与PAN溶液共混，通过静电纺丝和煅烧形成ZrO2/C与CNFs紧密交织的三维网络核壳结构；策略Ⅱ（ex‑CNFs/ZrO2/C）：先静电纺丝制备PAN纤维，通过水相合成法在纤维表面原位生长Zr‑MOF；经相同煅烧条件处理后，ZrO2/C负载于CNFs表面。
图2：ex‑CNFs/ZrO2/C的SEM图像 (a)，in‑CNFs@ZrO2/C的SEM图像 (b)−(c)；in‑CNFs@ZrO2/C的TEM图像 (d)−(e)、HRTEM图像 (f)−(g)、SAED图像 (h)、暗场像 (i)和(o)，以及EDS元素分布图：C (j)和(p)、N (k)和(q)、O (l)和(r)、Zr (m)和(s)、C−Zr (n)和(t)。
图2展示了in-CNFs@ZrO2/C的微观结构、形貌与元素分布（并与ex‑CNFs/ZrO2/C进行形貌对比）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，ex‑CNFs/ZrO2/C中ZrO2/C分布CNFs表面，而in‑CNFs@ZrO2/C中ZrO2/C嵌入CNFs内部，且呈现清晰的三维网络结构。透射电子显微镜（TEM）与高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像显示CNFs、ZrO2与碳骨架间的异质界面，标定出ZrO2的(111)晶面，晶面间距为0.29 nm。选区电子衍射（SAED）图像证实ZrO2为多晶结构，对应(111)、(220)与(311)晶面。EDS mapping表明C、N、O、Zr元素在in‑CNFs@ZrO2/C中均匀分布。
图3：填充比为11 wt.%下的三维反射损耗图与相应的等高线图：ZrO2/C (a)–(b)、CNFs (c)–(d)、in‑CNFs@ZrO2/C (e)–(f)及ex‑CNFs/ZrO2/C (g)–(h)；in‑CNFs@ZrO2/C与同类材料的EABmax和RLmin对比图 (i)。
如图3所示，在11 wt.%的低填充率（fw）下，当匹配厚度（d）为2.29 mm时，in‑CNFs@ZrO2/C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11.28−18 GHz频段实现6.72 GHz的最大有效吸收带宽（EABmax）。然而，当d为3.18 mm时，实现了最小反射损耗（RLmin）达-66.85 dB。in‑CNFs@ZrO2/C实现了良好的阻抗匹配和高效的能量耗散，从而使这种材料具备出色的电磁波吸收性能。
图4：CST仿真模型 (a)；RCS仿真图 (b)；纯PEC模型 (c)及涂覆CNFs (d)、ZrO2/C (e)、ex‑CNFs/ZrO2/C (f)和in‑CNFs@ZrO2/C (g)模型的远场仿真结果；in‑CNFs@ZrO2/C与ex‑CNFs/ZrO2/C的红外热成像图 (h)、温度‑时间曲线 (i)、热导率柱状图 (j)及隔热机理示意图 (k)。
采用计算机仿真技术（CST）模拟CNFs、ZrO2/C、ex‑CNFs/ZrO2/C和in‑CNFs@ZrO2/C的雷达散射截面（RCS）值，验证了复合纤维材料的雷达隐身性能。如图4所示，in‑CNFs@ZrO2/C覆盖的理想电导体（PEC）呈现最弱的散射信号，RCS值降低至-31.42 dB m2，表明其具有最强的雷达波耗散能力。in‑CNFs@ZrO2/C出色的RCS性能显示了其在实际应用中的巨大潜力。
材料的隔热性能是评估其实际应用价值的重要指标。通过红外热成像测试，加热8 min后，in-CNFs@ZrO2/C中心温度稳定在55.3 °C，显著低于ex-CNFs/ZrO2/C的稳定温度，隔热性能更优。瞬态平面热源法测试显示，in-CNFs@ZrO2/C的热导率（0.13938 W·m⁻¹·K⁻¹）远低于ex-CNFs/ZrO2/C（0.30785 W·m⁻¹·K⁻¹）。此外，还揭示了传热机制：ex-CNFs/ZrO2/C传热路径直接，热量易通过固相快速传导；而in-CNFs@ZrO2/C中ZrO2被CNFs包覆，延长了传热路径并引发声子散射，有效阻碍声子与电子传输，为其优异隔热性能提供结构支撑，凸显其在先进技术应用中的潜力。
图5：ex‑CNFs/ZrO2/C和in‑CNFs@ZrO2/C的电磁波吸收机理示意图
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。图5为两种复合纤维的电磁波吸收机理示意图。首先，煅烧后形成的三维网络核壳结构促进了高效的电子传输和多重反射，而偶极极化则有助于提高介电损耗。此外，CNFs、ZrO2和碳骨架之间丰富的异质界面显著改善了界面极化损耗。因此，本研究为碳纤维基轻质多功能防护材料的设计与开发提供了新思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121325
人物简介：
疏瑞文，安徽理工大学教授，博士生导师，特种聚合物安徽省重点实验室副主任，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），连续入选全球前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），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）。担任国家重点研发计划项目评审专家、国家自然科学基金项目评审专家，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，《Journal of Materials Science & Technology》《Advanced Powder Materials》《InfoMat》《Research》《Energy & Environmental Materials》《Rare Metals》等中科院一区Top期刊青年编委。主要从事碳基磁电复合材料的设计制备、结构性能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重大/重点项目、安徽省高校优秀青年骨干人才项目、全国重点实验室开放基金重点项目、国家地方联合工程研究中心开放基金重点项目、教育部重点实验室开放基金重点项目等科研项目15项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文100余篇，其中中科院一区Top论文56篇，影响因子大于10的论文20篇，论文被Web of Science数据库引用6400余次，单篇引用大于100次的论文19篇，H因子46，先后入选ESI高被引论文22篇、热点论文10篇，授权中国发明专利11项，获安徽省自然科学三等奖1项（R1）。
