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Advanced Nanocomposites綜述：生物質衍生多孔碳基復合材料在電磁波吸收領域的研究進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-11-20 15:36:14

本文要點

綠色碳源的新思路：生物質材料（如木材、稻草、藻類、幾丁質等）因呈現天然多孔結構、元素組成多樣、儲量豐富而成為理想碳源。論文指出，通過高溫碳化、化學活化、脫木質素或脫脂處理等方法，可在保持原有多孔結構的基礎上，形成高比表面積、缺陷豐富和雜原子摻雜的碳骨架，從而顯著提升介電損耗與極化能力。研究表明，合理的孔徑分布和層級結構有助于實現阻抗匹配，使更多電磁波能夠順利進入到材料內部。三維導電網絡的形成，以及缺陷誘導的偶極極化與多異質界面形成的界面極化可以促進電磁波能量的耗散。這種“多級孔結構—導電網絡—極化損耗”多因素協同機制，是生物質多孔碳實現高效吸波的核心。

三類生物源碳的設計策略：根據生物質來源的不同，論文將研究體系分為三類。植物源多孔碳材料：利用木材、稻草、棉纖維等植物質作為前驅體，通過構建多孔結構，再引入磁性組分（如Fe?O?、Co、Ni）或導電填料（如CNTs、MXene）等，豐富損耗機制，實現協同吸收。動物源多孔碳材料：以殼聚糖、蛋白質或羽毛等動物質作為前驅體，經金屬鹽活化與碳化，可獲得富含N/O等雜原子的蜂窩狀碳骨架，以此為基體制備的復合材料可實現高極化與磁損耗特征。微生物源多孔碳材料：以菌絲體或細菌纖維素為模板，構建低密度、高孔隙率的三維網絡，有望實現輕質化與寬頻吸收的平衡。上述研究成果表明，生物質不僅能提供天然模板，更可作為“結構—性能協同設計”的起點，通過前驅體調控、復合填料和界面工程，實現材料吸波性能的精準調節。

吸波機理與結構調控：論文系統總結了BPC復合材料的主要吸波機制。阻抗匹配：通過分級多孔結構的構建有利于提高材料整體阻抗匹配性能，使更多的電磁波能夠有效進入到材料內部；電導損耗：多孔結構形成的三維導電網絡和自身可調的電性能可以引發電導損耗；多重反射/散射：分級多孔結構有利于入射電磁波發生多重反射/散射，延長電磁波傳輸路徑，增加傳輸損耗；偶極/界面極化：雜原子摻雜或負載其它材料，會提高復合材料的偶極極化損耗，形成的異質界面與分級孔洞產生的極化效應會增強界面極化能力；磁損耗：通過引入磁性金屬或鐵氧體等可以引發渦流損耗和自然/交換共振等磁損耗機制；干涉損耗：四分之一波長相消干涉機制在分級多孔結構中得到強化，是吸波材料實現強吸收性能的重要因素之一。

面向未來，綠色、輕質、可持續、多功能：作者指出，生物質多孔碳復合材料的未來發展將集中在以下幾個方向。綠色高效制備：開發更溫和、低能耗的活化與改性工藝；結構-成分一體化設計：結合原位摻雜與復合策略，兼顧電、磁與結構特性；低頻寬帶吸收與工程化：面向雷達與通信領域的實用化需求；多功能拓展：與紅外隱身、熱管理、力學增強等功能集成，構建“多物理場響應”新材料體系。該綜述全面梳理了近年來BPC吸波材料在設計策略、機理研究與應用探索方面的最新進展，為低成本、可持續、高性能吸波技術的發展提供了清晰路線圖。

作者簡介

和玉光：第一作者，北京航空材料研究院，博士研究生，研究方向為多孔碳基吸波材料的設計與研制。

楊程，通訊作者，2001年畢業于天津大學高分子化工專業；2006年畢業于北京化工大學材料學院；2007-2008年在清華大學從事博士后研究工作；之后在北京航空材料研究院工作，研究員，博士生導師；2023年獲國家卓越青年基金資助。研究領域包括：（1）碳基吸收劑設計及研制；（2）特種碳基吸波蜂窩設計及研發；（3）超寬頻結構功能一體化隱身材料設計及研制；（4）特種聚合物基增材制造材料研制及技術開發。

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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