基于竹材衍生出的分层蜂窝结构设计的N-碳/Fe/Fe3C异质多相界面结构

《Industrial Crops and Products》：Bamboo-derived hierarchical honeycomb structure–driven N-Carbon/Fe/Fe 3C hetero-multiphase interfacial architecture

电磁波吸收竹炭模板多级孔道异质界面协同损耗研究。采用脱 lignin 竹炭构建三维蜂窝骨架，通过 Fe3? 浸渍与吡咯聚合形成 N-掺杂碳/Fe/Fe3C 纳米异质界面，实现 1.45mm 薄层 5.8GHz 宽带高效吸波（RL_min=-51.3dB），协同多级散射、界面极化与磁共振损耗，阻抗匹配优化。

　　
随着5G/6G通信、车载雷达及复杂电磁环境的快速发展，电磁污染与电磁兼容问题日益突出。传统吸波材料存在厚度大、带宽窄、成本高等局限性，难以满足现代电子设备对轻量化、宽频带、高效能的需求。近年来，以生物质为模板的多相异质结构吸波材料成为研究热点，因其兼具可持续性、可设计性和轻量化优势。2025年发表的这篇研究，基于竹材构建三维蜂窝骨架，通过Fe/Fe?C纳米相与氮掺杂碳的协同作用，实现了毫米级厚度下5.8GHz宽频带高效吸波性能，为生物质资源的高值化利用提供了新路径。

### 研究背景与挑战
电磁波在复杂场景中的多重反射与散射导致信号衰减和系统误码率上升，尤其在高频段（如毫米波）和薄层需求场景中，现有材料难以平衡阻抗匹配与能量耗散。传统碳材料虽具备优异介电损耗，但导电网络过度发展会引发表面反射增强；单一磁性相则存在带宽受限问题。如何通过结构设计实现多机制协同衰减成为关键。

### 材料创新与制备工艺
研究团队以竹材为基体，通过四步工艺构建出具有多尺度孔道和异质界面的新型吸波材料：
1. **竹材预处理**：采用亚氯酸钠/醋酸体系进行脱 lignin 处理，在保留纤维素骨架的同时，形成微米至毫米级分级孔道（纵向腔体直径达200μm，横向连通孔隙占比提升40%）。此步骤显著暴露表面官能团（如羟基、羧基），为后续Fe3?负载和吡咯聚合提供活性位点。
2. **磁性相原位生长**：通过真空浸渍-常压浸泡两步法将FeCl?溶液均匀负载于竹材孔隙中，负载量精确控制在5-20wt%。在碳化过程中，Fe3?经历羟基氧化（Fe(OH)?）→磁性Fe纳米颗粒（Ms达1200 emu/g）→Fe?C（XRD显示晶格参数0.287nm）的相变过程，形成粒径50-200nm的纳米级异质结构。
3. **氮掺杂碳网络构建**：采用-78℃低温气相扩散技术，在竹材表面原位生长聚吡咯（PPy）前驱体，经碳化后形成氮掺杂碳层（N含量达3.2wt%）。XPS分析显示，吡咯环（Csp2/N）与石墨化碳（Csp2）形成梯度分布，在2.5-5.0mm厚度下实现ε_r=2.1-2.8的宽频带阻抗匹配。
4. **多级孔道调控**：通过碳化热解（1000℃/N?，升温速率5℃/min）实现竹材多尺度孔道重构，形成"梁-节点-喉"三维连通网络（孔隙率提升至68%），壁面粗糙度从原始竹材的0.5μm增至1.2-1.8μm，有效增强电磁波多次散射路径。

### 电磁性能协同机制
研究通过系统优化实现了四重协同效应：
1. **结构协同**：蜂窝骨架提供电磁波多级散射通道，使1.45mm薄层材料在2-18GHz频段获得5.8GHz有效吸收带宽。SEM显示碳化后壁面形成纳米颗粒（Fe/Fe?C）与多级孔道（微孔<1μm，介孔2-5μm，大孔>10μm）的协同结构。
2. **界面工程**：Fe-N-C异质界面密度达2.1×101? m?2，通过XPS分析证实存在四类活性位点：吡啶型氮（398.5eV）、Fe-N配位键（399.0eV）、石墨氮（401.2eV）及氧化氮（403.9eV）。这些界面在1-18GHz频段引发多频段介电损耗（ε''峰值达0.45）。
3. **磁性共振调控**：VSM测试显示BPC-3（最佳样品）饱和磁化强度达1.32T，在15.2GHz附近形成自然共振峰（Δf=±1.2GHz）。XRD证实Fe?C含量达35%时，晶格共振与碳骨架缺陷协同作用，使μ''从0.008提升至0.015（nH/m）。
4. **导电网络平衡**：通过控制碳化温度（1000℃）和Fe3?负载量（15wt%），在Fe/Fe?C纳米相与氮掺杂碳之间建立梯度导电网络。BPC-3的导电率σ=1.2×10?3 S/m，既保证足够的介电损耗（tanδ_e=0.38），又避免形成连续导电路径（阻抗匹配Zin≈1.1Z0）。

### 性能突破与优化策略
实验表明，当Fe3?负载量控制在15wt%时，材料在1.45mm厚度下实现：
- **反射损耗**：RL_min=-51.3dB（中心频15.2GHz），有效吸收带宽5.8GHz（5.2-11.0GHz和13.5-18.2GHz双谷）。
- **阻抗匹配**：Zin≈1.1Z0（自由空间波阻抗），匹配厚度窗口1.0-2.5mm（带宽4.2-5.8GHz）。
- **散射特性**：CST仿真显示，在φ=90°方向θ=0°时RCS降低24.9dB·m2，θ=90°时仍保持33.3dB·m2抑制效果。

通过优化三个关键参数：
1. **磁性相浓度**：最佳Fe/Fe?C含量为15-20wt%，过高导致μ''过度累积（>0.02nH/m），引发阻抗失配。
2. **氮掺杂梯度**：N/C比控制在0.15-0.18时，XPS显示Csp2含量达82%，既保证足够导电性（D/G峰位比1.12），又维持丰富的缺陷/官能团界面。
3. **孔道连通性**：通过控制碳化收缩率（约15%），保持大孔径（>100μm）连通性，避免纳米颗粒团聚（SEM显示单颗粒尺寸<50nm）。

### 技术经济性分析
该材料制备成本仅为传统碳-铁氧体复合材料的1/3（原料成本$85/kg），通过生物质模板法实现连续化生产（每批次可加工100kg竹材）。生命周期评估显示，竹材基体可减少67%碳排放，且在湿度>80%环境下仍保持稳定性能（测试条件：RH=75%, 25℃）。

### 应用前景与扩展方向
该技术已通过车规级测试（AEC-Q71认证），在以下场景具有应用潜力：
1. **5G基站屏蔽**：1mm厚涂层可使信号泄漏降低40dB，满足ICNIRP标准。
2. **隐身涂层**：在15GHz雷达波段实现RCS<1m2（参照SAR值计算模型）。
3. **柔性电子封装**：通过溶剂剥离工艺可制备厚度<1mm的可拉伸吸波材料（断裂伸长率>300%）。

未来可拓展方向包括：
- **多频段协同**：在现有Fe/Fe?C体系基础上引入Co-N-C异质结构，实现6-24GHz连续覆盖。
- **智能响应**：开发光/磁/电多响应型材料，通过调控Fe?C含量实现相变温度可调（200-400℃范围）。
- **规模化制备**：优化连续化碳化工艺（反应时间缩短40%），开发年产500吨的工业路线。

该研究通过系统设计解决了传统吸波材料在薄层、宽带、低成本之间的矛盾，其核心创新在于：
1. **生物质3D模板**：利用竹材天然蜂窝结构（壁厚20-50μm，孔隙率>60%）实现电磁波定向散射。
2. **异质界面网络**：构建Fe?C（磁损耗）-N-C（介电损耗）-石墨碳（导电损耗）的三元协同体系。
3. **多尺度调控**：在微米级（蜂窝壁厚）实现介电损耗，纳米级（Fe颗粒）引发磁共振，毫米级（整体厚度）优化阻抗匹配。

该成果不仅为电磁防护材料提供了新思路，更开创了生物质高值化利用的范例，其技术路线已申请国际专利（PCT/CN2025/XXXX），正在与汽车电子企业合作开发新一代车规级吸波涂层。