随着无线通信技术飞速发展，电磁污染问题日趋严峻。生物体长期暴露在高强度电磁辐射环境中，神经系统与心血管系统的生理功能或遭到损伤。此外，电磁污染还会干扰无线电通信设备与精密仪器，造成信息传输可靠性下降。因此，研发高性能电磁波吸波材料已然成为一项重要的研究课题。

近日，大连理工大学蹇锡高院士团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Metal-mediated in-situ construction of biomimetic multidimensional heterostructured carbon nanofibers for microwave absorption”。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。研究者采用富氮聚丙烯腈（PAN）与耐高温杂萘联苯聚芳醚腈酮（PPENK）双成碳前驱体，两种树脂富含氮、氧配位位点，可实现镍金属前驱体均匀分散。热处理预氧化阶段，金属物种促进不熔化梯形结构的形成，该骨架可在高温碳化后完整保留；高温热解过程中，零维镍颗粒凭借原位自催化作用在纤维表面生长碳纳米管，最终得到负载碳纳米管的一维海参状碳纳米纤维，纤维相互搭接搭建连续二维导电网络，构筑多维异质吸波结构。

图1：CPAN-K-X的制备和微观形态。

结果显示，金属掺杂量直接决定微观形貌与吸波能力。样品CPAN-K-30综合性能最优：厚度仅1.8 mm时最小反射损耗达- 47.68 dB，1.4 mm厚度下有效吸收带宽4.17 GHz，比反射损失值和比吸收带宽值分别可达176.59 dB/mm和19.86 GHz/mm，低频处电磁波衰减率最高可达99.9%。远场雷达散射截面模拟结果表明，CPAN-K-30可实现30.28 dB·m2的RCS缩减，在实际隐身领域具有潜力。

图2：CPAN-K-X的吸波性能。

当电磁波入射至CPAN-K-30表面时，由一维碳纳米纤维互相搭接形成的导电网络可提供电子传输与跳跃的通道，形成导电损耗。同时，CPAN-K-30中的缺陷和官能团作为极化中心，诱导产生偶极极化。此外，由碳纤维、碳纳米管与镍颗粒等组分之间构筑的多维异质界面为界面极化提供了丰富的反应位点，进一步增强极化响应。由磁性颗粒带来的自然共振和涡流损耗进一步丰富了CPAN-K-30的微波损耗机制。CPAN-K-30在发挥各组分本征功能的同时有效整合了多维异质界面的结构优势，协同提升轻量化碳基吸波材料的性能。

图3：吸波机制示意图。

CPAN-K-30在酸、碱、盐、有机溶剂中浸泡一个月后，仍能吸收99.99%（≥-40 dB）以上的电磁波，且吸收范围在2.89 GHz以上，展现出优异的环境耐久性。此外，本研究构建了一种电磁能量存储转换装置，将由电磁波转化而来的热能借助PN半导体的热电效应发电，实现废旧电磁能的转化和再利用。同时，在CPAN-K-30两端施加电压后，其表面迅速升温，表现出优异的电热转换能力。

图4：(a-c) CPAN-K-30苛刻环境下吸波性能；(d-f)雷达散射截面积模拟；(g-h)特斯拉线圈验证试验；(i-m)电/热/磁能量转换表征。

该研究明确了金属在碳骨架演化中的调控机制，探索传统碳基吸波材料性能制衡的解决路径，依靠前驱体搭配与金属掺杂调控微观结构，为轻量化、多功能新型吸波材料开发提供全新设计思路，在电磁防护、隐身器件、电磁能量资源化回收等场景具备广阔前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121709

人物简介：

陈友汜，大连理工大学研究员，博士生导师。主要从事热塑性复合材料成型连接及强化、聚烯烃基碳纤维与高价值碳材料、自修复智能高分子材料及其器件、环氧树脂改性及复合材料强韧化研究。提出了基于双组分上浆剂的碳纤维表界面重构及复合材料性能强化理论。开发了PEEK、PA、PEI、PPESK上浆剂、热塑性预浸料与吸波预浸料、新型碳纤维与碳基薄膜材料。