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  隨著5G通信技術(shù)的高速發(fā)展，由此產(chǎn)生的電磁輻射干擾也越來(lái)越引起人們的重視。為了避免電磁輻射污染對(duì)電子設(shè)備和人類健康的危害，急需開(kāi)發(fā)各類高效電磁波屏蔽和吸收材料。特別是高效電磁波吸收材料，可以通過(guò)將電磁波吸收并轉(zhuǎn)換為其他形式的能量耗散掉，防止電磁波在材料表面的反射，可有效避免二次電磁輻射污染。

  碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、高導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、風(fēng)電葉片、電子等行業(yè)，碳纖維巨量的應(yīng)用也帶來(lái)了回收再利用的問(wèn)題。北京化工大學(xué)賈曉龍教授、楊小平教授團(tuán)隊(duì)從2014年開(kāi)始關(guān)注碳纖維的回收再利用問(wèn)題，并與美國(guó)波音公司合作致力于開(kāi)發(fā)碳纖維高效回收再利用技術(shù)，通過(guò)合理利用再生碳纖維優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，開(kāi)發(fā)了一系列結(jié)構(gòu)-功能一體化再生碳纖維復(fù)合材料。前期，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)再生碳纖維表界面改性，同步提高了其復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987.）在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了再生碳纖維排列方式對(duì)電磁屏蔽的影響規(guī)律，并通過(guò)取向和鋪層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其復(fù)合材料的高效電磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2021, 211, 108656.）此外，該團(tuán)隊(duì)還探索了這種結(jié)構(gòu)-功能一體化再生碳纖維復(fù)合材料在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用，采用再生碳纖維制備的筆記本電腦的外殼具有優(yōu)異的抗摔、抗電磁干擾性能，且成本優(yōu)勢(shì)顯著，該成果也獲得了2018“光威杯”大學(xué)生復(fù)合材料科技創(chuàng)新競(jìng)賽全國(guó)特等獎(jiǎng)。

  上述研究表明，再生碳纖維作為一種低成本、高導(dǎo)電的一維材料，非常適合用作高效電磁波屏蔽材料中的導(dǎo)電填料，同步實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽和機(jī)械性能的增強(qiáng)。然而，如果要開(kāi)發(fā)再生碳纖維基電磁波吸收材料，則必須優(yōu)化其阻抗匹配減少電磁波在表面的反射，并加強(qiáng)其電磁波損耗能力以限制電磁波的逃逸。近期，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種MOF基衍生的多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)原位組裝于再生碳纖維表面實(shí)現(xiàn)了超高效率的微波吸收性能。如圖1所示，采用再生碳纖維紙作為導(dǎo)電基底原位自組裝MOF前驅(qū)體陣列，并通過(guò)自催化熱解制備得到了1D@2D@1D的多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在1.8 mm 的超低厚度下，比吸波性能（最小反射損耗/填料含量）達(dá)到了-1002 dB。

圖1. 1D@2D@1D的多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備及調(diào)控示意圖

  通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)生長(zhǎng)液中金屬離子的濃度，可以實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體從針狀到箭狀再到葉狀的形貌調(diào)控。隨后，這些前驅(qū)體陣列在高溫下被熱解成為碳納米片陣列，并在Co的自催化作用下碳納米片上原位生長(zhǎng)出了碳納米管叢林，從而形成了典型的1D@2D@1D多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)碳材料。（圖2）

圖2. MOF前驅(qū)體及其衍生物修飾碳纖維的結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

  從圖3可以看出，具有典型1D@2D@1D多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的樣品表面的陣列結(jié)構(gòu)有利于電磁波的多次散射，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)也有利于阻抗匹配的改善，原位自催化生長(zhǎng)的碳納米管具纏結(jié)在碳納米片上有利于傳導(dǎo)損耗的加強(qiáng)，且其頂端封裝有磁性金屬Co納米顆粒，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電磁波下的界面極化也加強(qiáng)了材料的介電損耗。

圖3. 具有典型1D@2D@1D多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的樣品（ZIF@CF-3）的電鏡及EDS Mapping圖

  圖4截取了1D@2D@1D多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄厚度段樣品的吸波性能，在5 w.t%的填料含量下，1.8 mm厚度的最小回波損耗達(dá)-51 dB，1.6 mm厚度的有效吸波寬度達(dá)4.82 GHz。與其他碳纖維基或MOF基材料相比，該材料實(shí)現(xiàn)了超高效率的微波吸收性能，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

圖4. 薄厚度段樣品的吸波性能及其與其他同類材料的性能對(duì)比

  本工作以低成本的再生碳纖維作為基材，采用簡(jiǎn)單的自組裝和自催化熱解制備得到1D@2D@1D多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)改善阻抗匹配減少電磁波在表面的反射，加強(qiáng)傳導(dǎo)損耗和介電極化損耗減少電磁波的逃逸，實(shí)現(xiàn)了超高效率的電磁波吸收性能，使材料兼具出色的RL，寬的EAB，薄的厚度和低的填料含量，為高效電磁波吸收材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新視角。 

圖5. 1D@2D@1D的多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微波吸收機(jī)理

  該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科學(xué)基金（No. 2192044）、中央高校基本科研基金（No. XK1802-2）、北京化工大學(xué)青年英才計(jì)劃、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）、中國(guó)工程院咨詢研究項(xiàng)目（No. 2020-XY-81）等項(xiàng)目資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202105411

第一作者簡(jiǎn)介

  還獻(xiàn)華，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)碩博連讀生，師從賈曉龍教授，主要研究方向?yàn)樵偕祭w維高效、高值化再利用和碳纖維基電磁屏蔽及吸波材料。曾獲北京化工大學(xué)校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金、“光威杯”中國(guó)大學(xué)生高性能復(fù)合材料科技創(chuàng)新競(jìng)賽全國(guó)特等獎(jiǎng)、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生學(xué)術(shù)論壇三等獎(jiǎng)等。作為項(xiàng)目骨干參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、企業(yè)橫向項(xiàng)目2項(xiàng)，在Small、Compos Part B: Eng等期刊上以第一作者發(fā)表SCI論文4篇，申請(qǐng)并獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)。

通訊作者簡(jiǎn)介

  賈曉龍，現(xiàn)任北京化工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、材料學(xué)院復(fù)合材料系主任、碳纖維及功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，入選國(guó)家青年人才、北京市高等學(xué)校青年英才等，獲2021 年中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)青年獎(jiǎng)，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)，承擔(dān)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目近20項(xiàng)，發(fā)表 SCI論文60余篇、專利50余項(xiàng)(授權(quán)40余項(xiàng)）。