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Advanced Nanocomposites综述:生物质衍生多孔碳基复合材料在电磁波吸收领域的研究进展
文章来源:新能源网     更新时间:2025-11-20 15:36:14
本文要点

 

绿色碳源的新思路:生物质材料(如木材、稻草、藻类、几丁质等)因呈现天然多孔结构、元素组成多样、储量丰富而成为理想碳源。论文指出,通过高温碳化、化学活化、脱木质素或脱脂处理等方法,可在保持原有多孔结构的基础上,形成高比表面积、缺陷丰富和杂原子掺杂的碳骨架,从而显著提升介电损耗与极化能力。研究表明,合理的孔径分布和层级结构有助于实现阻抗匹配,使更多电磁波能够顺利进入到材料内部。三维导电网络的形成,以及缺陷诱导的偶极极化与多异质界面形成的界面极化可以促进电磁波能量的耗散。这种“多级孔结构—导电网络—极化损耗”多因素协同机制,是生物质多孔碳实现高效吸波的核心。


三类生物源碳的设计策略:根据生物质来源的不同,论文将研究体系分为三类。植物源多孔碳材料:利用木材、稻草、棉纤维等植物质作为前驱体,通过构建多孔结构,再引入磁性组分(如Fe₃O₄CoNi)或导电填料(如CNTsMXene)等,丰富损耗机制,实现协同吸收。动物源多孔碳材料:以壳聚糖、蛋白质或羽毛等动物质作为前驱体,经金属盐活化与碳化,可获得富含N/O等杂原子的蜂窝状碳骨架,以此为基体制备的复合材料可实现高极化与磁损耗特征。微生物源多孔碳材料:以菌丝体或细菌纤维素为模板,构建低密度、高孔隙率的三维网络,有望实现轻质化与宽频吸收的平衡。上述研究成果表明,生物质不仅能提供天然模板,更可作为“结构—性能协同设计”的起点,通过前驱体调控、复合填料和界面工程,实现材料吸波性能的精准调节。


吸波机理与结构调控:论文系统总结了BPC复合材料的主要吸波机制。阻抗匹配:通过分级多孔结构的构建有利于提高材料整体阻抗匹配性能,使更多的电磁波能够有效进入到材料内部;电导损耗:多孔结构形成的三维导电网络和自身可调的电性能可以引发电导损耗;多重反射/散射:分级多孔结构有利于入射电磁波发生多重反射/散射,延长电磁波传输路径,增加传输损耗;偶极/界面极化:杂原子掺杂或负载其它材料,会提高复合材料的偶极极化损耗,形成的异质界面与分级孔洞产生的极化效应会增强界面极化能力;磁损耗:通过引入磁性金属或铁氧体等可以引发涡流损耗和自然/交换共振等磁损耗机制;干涉损耗四分之一波长相消干涉机制在分级多孔结构中得到强化,是吸波材料实现强吸收性能的重要因素之一。


面向未来,绿色、轻质、可持续、多功能:作者指出,生物质多孔碳复合材料的未来发展将集中在以下几个方向。绿色高效制备:开发更温和、低能耗的活化与改性工艺;结构-成分一体化设计:结合原位掺杂与复合策略,兼顾电、磁与结构特性;低频宽带吸收与工程化:面向雷达与通信领域的实用化需求;多功能拓展:与红外隐身、热管理、力学增强等功能集成,构建“多物理场响应”新材料体系。该综述全面梳理了近年来BPC吸波材料在设计策略、机理研究与应用探索方面的最新进展,为低成本、可持续、高性能吸波技术的发展提供了清晰路线图。

 

作者简介

 

和玉光:第一作者,北京航空材料研究院,博士研究生,研究方向为多孔碳基吸波材料的设计与研制。


杨程,通讯作者,2001年毕业于天津大学高分子化工专业;2006年毕业于北京化工大学材料学院;2007-2008年在清华大学从事博士后研究工作;之后在北京航空材料研究院工作,研究员,博士生导师;2023年获国家卓越青年基金资助。研究领域包括:(1)碳基吸收剂设计及研制;(2)特种碳基吸波蜂窝设计及研发;(3)超宽频结构功能一体化隐身材料设计及研制;(4)特种聚合物基增材制造材料研制及技术开发。

 

原文信息:

Yuguang He, Sijia Hao, Yubin Chen, Shuangqiang Shi, Junpeng Tian, Cheng Yang*

Biomass-derived porous carbon-based composites for electromagnetic wave absorption

Advanced Nanocomposites, 2 (2025) 162–184

https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.08.002

 
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