大连理工大学的新突破：莲藕启发多孔碳纤维，让微波吸收更高效

成果简介

一维碳纳米纤维（CNFs）具有优异的可塑性和稳定性，因此作为轻质吸波材料具有巨大潜力。然而，高导电性往往会在这些吸波材料的表面产生大量反射波。因此，需要通过合理的微结构设计和异质界面构造来调节微波吸收特性。本文，大连理工大学陈友汜 研究员团队在《 ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Biologically Inspired Nanoporous PAN/PMMA/β-CD Carbon Fibers for Efficient Microwave Absorption”的论文，研究以莲藕内部的中空结构为灵感，通过牺牲模板辅助电纺丝法制备了莲藕状多通道 CNFs（聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯/β-环糊精（PAN/PMMA/β-CD）），然后采用传统的稳定化和碳化工艺。

多通道结构的引入以及在 CNFs 中形成的重叠导电网络不仅大大提高了材料的介电损耗能力，还为电子传输提供了更多途径。通过调节牺牲剂含量和碳化温度，可以轻松实现对材料通道结构和导电率的有效调节。当牺牲剂在原丝中的含量为 50 wt %、碳化温度设定为 900 °C 时，样品（MC-CNFs-1:1-900）显示出良好的阻抗匹配特性和微波衰减。因此，通过简单的制备方法，CNFs 在 2.8 mm 时的最小反射损耗 (RLmin) 为 -45.19 dB，有效吸收带宽 (EAB) 为 3.825 GHz，为开发高性能轻质微波吸收材料 (MAM) 奠定了坚实的基础。

图文导读

图1.MC-CNF制备的示意图。

图2.（a-e）MC-CNFs的SEM和（f-j）TEM图像。

图3.MC-CNFs的（a）XRD和（b）拉曼图谱;MC–CNFs-1：1–900的（c）XPS巡视光谱和（d） C1s、（e）N1s和（f）O1s光谱。

图4.（a， d， g） MC–CNFs-1：1–700、（b， e， h） MC–CNFs-1：1–900 和 （c， f， i） MC–CNFs-1：1–1100 的 SEM 图像。

图5.MC-CNFs的频率依赖性

图6.（a） 电导率和 （b） 衰减常数。

图7.吸波机理示意图。

小结

总之，通过牺牲模板辅助电纺丝法制备了具有良好耐候性的 PAN/PMMA/β-CD 多通道 CNFs。在厚度为 2.8 mm 时，RLmin 可达到 -45.19 dB，EAB 为 3.825 GHz。良好的微波吸收性能主要归功于其优异的阻抗匹配特性、介质损耗和干涉相消效应。此外，丰富的内在/外在缺陷和氮/氧官能团以及高宽比 CNFs 形成的三维导电石墨化网络进一步提高了介质损耗能力。通过对纳米纤维前驱体的成分管理，实现了MC-CNFs微结构的设计和吸波性能的调节，为轻松制备轻质、碳基、高性能 MAM 提供了良好的思路。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05523