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  隨著5G通信技術的高速發展，由此產生的電磁輻射干擾也越來越引起人們的重視。為了避免電磁輻射污染對電子設備和人類健康的危害，急需開發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，可以通過將電磁波吸收并轉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、高強、耐腐蝕、高導電等優點，被廣泛運用于航空航天、汽車工業、風電葉片、電子等行業，碳纖維巨量的應用也帶來了回收再利用的問題。北京化工大學賈曉龍教授、楊小平教授團隊從2014年開始關注碳纖維的回收再利用問題，并與美國波音公司合作致力于開發碳纖維高效回收再利用技術，通過合理利用再生碳纖維優異的機械性能、導電、導熱性能，開發了一系列結構-功能一體化再生碳纖維復合材料。前期，該研究團隊通過對再生碳纖維表界面改性，同步提高了其復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987.）在此基礎上，進一步研究了再生碳纖維排列方式對電磁屏蔽的影響規律，并通過取向和鋪層設計實現了其復合材料的高效電磁屏蔽性能。（Composites Part B: Engineering, 2021, 211, 108656.）此外，該團隊還探索了這種結構-功能一體化再生碳纖維復合材料在消費電子領域的應用，采用再生碳纖維制備的筆記本電腦的外殼具有優異的抗摔、抗電磁干擾性能，且成本優勢顯著，該成果也獲得了2018“光威杯”大學生復合材料科技創新競賽全國特等獎。

  上述研究表明，再生碳纖維作為一種低成本、高導電的一維材料，非常適合用作高效電磁波屏蔽材料中的導電填料，同步實現電磁屏蔽和機械性能的增強。然而，如果要開發再生碳纖維基電磁波吸收材料，則必須優化其阻抗匹配減少電磁波在表面的反射，并加強其電磁波損耗能力以限制電磁波的逃逸。近期，該團隊開發了一種MOF基衍生的多級異質結構原位組裝于再生碳纖維表面實現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電基底原位自組裝MOF前驅體陣列，并通過自催化熱解制備得到了1D@2D@1D的多級異質結構，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）達到了-1002 dB。

圖1. 1D@2D@1D的多級異質結構制備及調控示意圖

  通過簡單的調節生長液中金屬離子的濃度，可以實現前驅體從針狀到箭狀再到葉狀的形貌調控。隨后，這些前驅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出了碳納米管叢林，從而形成了典型的1D@2D@1D多級異質結構碳材料。（圖2）

圖2. MOF前驅體及其衍生物修飾碳纖維的結構掃描電鏡圖

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

圖3. 具有典型1D@2D@1D多級異質結構的樣品（ZIF@CF-3）的電鏡及EDS Mapping圖

  圖4截取了1D@2D@1D多級異質結構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-51 dB，1.6 mm厚度的有效吸波寬度達4.82 GHz。與其他碳纖維基或MOF基材料相比，該材料實現了超高效率的微波吸收性能，并且展現出優異的綜合性能。

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比

  本工作以低成本的再生碳纖維作為基材，采用簡單的自組裝和自催化熱解制備得到1D@2D@1D多級異質結構，通過改善阻抗匹配減少電磁波在表面的反射，加強傳導損耗和介電極化損耗減少電磁波的逃逸，實現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構設計提供了新視角。 

圖5. 1D@2D@1D的多級異質結構的微波吸收機理

  該研究受到國家重點研發計劃（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科學基金（No. 2192044）、中央高校基本科研基金（No. XK1802-2）、北京化工大學青年英才計劃、有機無機復合材料國家重點實驗室開放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）、中國工程院咨詢研究項目（No. 2020-XY-81）等項目資助。

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

第一作者簡介

  還獻華，北京化工大學材料科學與工程學院2018級碩博連讀生，師從賈曉龍教授，主要研究方向為再生碳纖維高效、高值化再利用和碳纖維基電磁屏蔽及吸波材料。曾獲北京化工大學校長獎學金、“光威杯”中國大學生高性能復合材料科技創新競賽全國特等獎、有機無機復合材料國家重點實驗室博士生學術論壇三等獎等。作為項目骨干參與國家重點研發計劃項目2項、企業橫向項目2項，在Small、Compos Part B: Eng等期刊上以第一作者發表SCI論文4篇，申請并獲得授權國家發明專利7項。

通訊作者簡介

  賈曉龍，現任北京化工大學教授、博士生導師、材料學院復合材料系主任、碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室副主任，入選國家青年人才、北京市高等學校青年英才等，獲2021 年中國復合材料學會青年獎，獲省部級科技獎勵3項，承擔國家級重點項目近20項，發表 SCI論文60余篇、專利50余項(授權40余項）。