郑州航院徐东卫:《COMPOS SCI TECHNOL》:碳纳米管桥联碳纳米纤维复合材料,具有轻质宽频带微波吸收性能
- 2026-06-20 08:16:20
1成果简介
随着电子设备的复杂性和集成度不断提高，电磁干扰问题日益严重。为提升通信系统性能、控制电磁污染并增强设备效能，高性能微波吸收材料已成为不可或缺的关键。因此，研发具有宽频带、轻质化和强环境适应性的先进微波吸收材料变得愈发重要。
本文，郑州航空工业管理学院徐东卫副教授联合复旦大学赵彪副研究员、中科院沈阳金属所曾尤研究员&大连理工大学陈平教授在国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表名为“In-situ self-catalytic growth of CNTs bridged carbon nanofibers composites and their enhanced microwave absorption”的研究论文。研究者通过结合静电纺丝技术与三聚氰胺辅助化学气相沉积法，制备出碳纳米管桥联聚合物衍生碳纳米纤维复合材料，记作 CNTs/M@PCNFs。
得益于导电性能提升、界面极化作用与多重散射效应，复合材料的介电损耗能力大幅增强。同时，三聚氰胺掺杂引入的氮元素能够产生额外偶极极化，优化材料阻抗匹配特性。最终，该复合材料展现出优异的微波吸收性能：填料占比仅为 10% 质量分数，最小反射损耗达 -39.8 dB，有效吸收带宽可达7.85 GHz。
2图文导读
图1：CNTs/M/PCNFs 混合纳米纤维的制备流程图(a)及PCNF (b,e)、M@PCNFs (c,f)和CNTs/M@PCNFs (d,g) 的微观形貌。
通过静电纺丝技术和后处理制备CNTs/M/PCNFs 复合纳米纤维。SEM图像显示静电纺制的纯聚丙烯腈衍生碳纳米纤维的表面相对光滑（图1b和图1e），相比之下，通过静电纺制混合溶液得到的碳纳米纤维表面更粗糙，具有更密集且分散良好的细小颗粒（图 1c 和图 1f），这表明金属纳米粒子牢固地锚定在聚丙烯腈衍生的碳纳米纤维表面。结合三聚氰胺辅助化学气相沉积法，SEM图像显示（图 1d 和图 1g），CNTs在聚丙烯腈衍生碳纳米纤维有规律且紧密地分布，提供交错和互连的高导电3D网络高速公路，用于电子传输，这意味着它们具有微波吸收应用的潜力。
图2：PCNF、M@PCNFs和CNTs/M@PCNFs的XRD谱图(a)、拉曼谱图(b)、缺陷密度(c)、磁性能(d、e)及电导率(f)。
图2a的 XRD 图谱显示，PCNFs 基底负载铁氧体（M=CrFe₂O₄、CoFe₂O₄等）及复合碳纳米管后，出现对应物相特征衍射峰，证明复合材料成功制备；图2b和2c表明碳纳米管引入提升了材料碳结构缺陷程度，且缺陷密度随碳纳米管复合显著升高。图2d和2e的磁滞回线证实M@PCNFs和CNTs/M@PCNFs具有明显的铁磁性行为，且CNTs/M@PCNFs的饱和磁化强度低于M@PCNFs；图2f的电导率测试结果表明碳纳米管的引入极大提升了材料导电性能。整体结果表明，铁氧体负载与碳纳米管复合可协同调控材料的缺陷、磁性与导电性，实现性能优化。
图3：PCNF、M@PCNFs和CNTs/M@PCNFs的微波吸收性能。
图4：制备的CNTs/M@PCNFs与其他微波吸收材料性能对比。
图3系统展示了 PCNFs、M@PCNFs 与 CNTs/M@PCNFs 三种吸波材料的电磁波吸收性能。可见纯PCNFs 吸波性能极弱，引入铁氧体与碳纳米管后，样品有效吸收频带显著拓宽，最低反射损耗值大幅降低；其中CNTs/M@PCNFs 可实现 ‑59.8 dB 的超强损耗与 7.85 GHz 的超宽的有效吸收带宽，证实铁氧体复合及碳纳米管引入可显著协同优化材料的微波吸收能力。
制备的CNTs/M@PCNFs复合纤维吸波材料表现出轻质、宽频带及强吸收的微波吸收性能，在航空航天，国防，智能和可穿戴电子产品等众多领域具有潜在的应用前景。这项工作为构建具有可调控结构和多组分的高性能微波吸收材料提供了一种有价值的方法。
3小结
总结，本文创新性地采用静电纺丝结合三聚氰胺辅助化学气相沉积法，制备出碳纳米管桥联聚合物衍生碳纳米纤维复合材料（CNTs/M@PCNFs）。该复合材料有效整合了不同碳材料的固有优势：聚合物衍生碳纳米纤维提供结构支撑和介电损耗能力；而原位生长的碳纳米管桥接网络不仅显著促进导电损耗，还增强了界面极化效应。三聚氰胺热分解产生的含氮化合物引入氮掺杂，生成偶极子极化和缺陷极化中心，进一步优化了阻抗匹配并提升材料介电损耗能力。CNTs/M@PCNFs样品表现出优异的微波吸收性能，最小反射损耗（RLmin）达到-51.1 dB，有效吸收带宽（EAB）为6.1 GHz。更重要的是，在2.6 mm的匹配厚度下，最宽的有效吸收频带可达7.85 GHz，对应的最小反射损耗（RLmin）为-39.8 dB。本研究构建的碳纳米管桥接碳纳米纤维复合吸波材料具有轻质、强吸收和宽频带的特点，为下一代高性能吸波材料的设计与制备奠定了实验和理论基础。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2026.111705
来源：文章来自郑州航院投稿，由材料分析与应用整理编辑。
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