《Materials Today Chemistry》：Lightweight aramid nanofiber/iron nanowire composite aerogel films with alternating multilayered architecture for enhanced electromagnetic wave absorption
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铁纳米线装饰芳香族纳米纤维复合气凝胶薄膜通过真空辅助过滤和冷冻干燥法制备，形成交替多层级结构以增强电磁波吸收，实现最小反射损耗-64.6 dB，并具备智能"开-关"控制能力。
王慧星|周丽杰|邹一杰|陈可杰|陈伟|安欣|郑一帆|陈一鸣|杨平安|郑佳佳|王晓艺
安徽工业大学机械工程学院，马鞍山，243002，中国
摘要
工业数字化的快速发展加剧了电磁污染，迫切需要轻质、超薄且具有宽带电磁波（EMW）吸收能力的材料，同时这些材料还需要具备可持续的结构设计。本文通过一种简便的真空辅助过滤和冷冻干燥工艺制备了一种铁纳米线（FeNW）修饰的芳纶纳米纤维（ANF）复合气凝胶薄膜。该薄膜采用交替多层结构设计，旨在提升电磁波吸收性能。坚固轻质的ANF基体有效抑制了FeNW的聚集，并形成了大量异质界面，从而在多孔微观结构中实现了介电损耗与磁损耗的协同作用及界面阻抗的优化匹配。最终，该复合气凝胶薄膜实现了优异的电磁波衰减效果，最小反射损耗达到-64.6 dB。此外，该薄膜还具备智能的“开-关”控制功能，可用于电子设备操作，验证了其在实际应用中的电磁波吸收效果。这项工作为高性能、可调节的基于薄膜的电磁波吸收材料提供了结构工程策略，为先进的电磁防护技术开辟了新的应用前景。
引言
随着电子设备和电子通信技术的不断进步，尤其是第五代移动通信技术（5G）的诞生，便携式电子设备得到了广泛使用[1]。然而，电磁辐射引发了严重的环境污染问题，并对人类健康构成了严重威胁[2][3][4]。因此，迫切需要开发出薄型、便携且具有高吸收性能的电磁波吸收材料来解决这一问题[5]。
在电磁波（EMW）吸收研究中，常用的材料包括介电损耗材料（如碳纳米材料[6]、石墨烯[7]）和磁损耗材料（如铁基材料[8]、磁性铁纳米材料[9]）。其中，具有优异磁性能的铁纳米材料一直备受关注[10]。Tong等人报道了在高研磨速度下制备出具有优良电磁性能的铁颗粒薄片，当涂层厚度为1.5 mm时，其最小反射损耗（RL_min）达到-32.55 dB，有效吸收带宽（EAB）达到8.8 GHz[11]。尽管铁基金属粉末能够实现良好的吸收效果，但其高导电性在高频下会产生强涡流，从而削弱外部磁场，降低磁导率和吸收效率[12]。此外，与其他材料相比，铁基材料的高填充比例和重量限制了其应用范围[13]。
与现有的纳米金属材料相比，一维（1D）铁纳米线（FeNWs）具有更高的磁导率和更长的长径比，这有助于优化界面阻抗匹配[14]。在低FeNWs填充比例下，材料的电磁波吸收性能和机械性能可以得到显著提升[15]。Yang等人采用简单的磁场诱导原位法制备出长径比高的FeNWs，在20 wt%的填充率下，其最小反射损耗（RL_min）达到了-44.67 dB[14]。然而，1D纳米线容易聚集，并且由于其高比表面积而容易氧化，从而导致电磁和机械性能受限[16]。为了解决这些问题，研究人员通常使用新型聚合物纳米纤维作为增强剂和交联剂，以促进纳米线在复合材料中的分散和界面增强[17]。研究表明，具有优异机械性能、轻质和热稳定性的芳纶纳米纤维（ANFs）能够有效分散纳米填料，并具备良好的成膜能力[20]。
在本研究中，我们提出了一种结构工程策略，通过制备独特的交替多层ANF/FeNWs复合气凝胶薄膜来开发高性能电磁波吸收材料。我们的创新之处在于通过简单的真空辅助过滤和冷冻干燥工艺实现了这种逐层结构的合理设计。这种多层结构旨在：（i）利用ANF层作为间隔层有效抑制FeNWs的聚集；（ii）创建大量异质界面以增强界面极化；（iii）实现介电损耗与磁损耗的协同作用及阻抗匹配的优化。我们详细研究了不同FeNWs掺杂比例下复合气凝胶薄膜的微观结构和电磁性能。随着FeNWs比例的增加，材料的电磁波吸收效率逐渐提高。由于FeNWs与ANFs之间的协同作用，这种高性能的ANF/FeNWs复合气凝胶薄膜在精密电子元件的电磁防护领域具有广泛的应用前景。
材料
七水合硫酸亚铁（FeSO?·7H?O）、硼氢化钠（NaBH?）和乙醇均购自Aladdin有限公司。芳纶纳米纤维（ANFs）由山东聚芳新材料有限公司提供（中国）。去离子水为实验室自制。所有化学试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。
铁纳米线的制备
首先，在持续磁力搅拌下，将5.56 g的FeSO?·7H?O溶解在200 mL的去离子水中，随后垂直放置一对永磁体
结构与形态
图2展示了不同FeNW浓度下的ANF/FeNWs复合气凝胶薄膜的多孔微观结构、相组成和多层特性。如图S1所示，1D细长的FeNWs具有约500 nm的直径和较高的长径比，这有助于在较低填料含量下形成电磁响应网络[14]。引入长径比高、比表面积大的ANFs可显著增强
结论
本研究通过简单的真空过滤和冷冻干燥方法成功制备了多层ANF/FeNWs复合气凝胶薄膜。所制备的复合气凝胶薄膜表现出优异的电磁波吸收性能。通过调整ANFs与FeNWs的比例，可以协调阻抗匹配、电磁损耗效应和层状多孔结构。复合气凝胶薄膜内部形成了兼具导电性和磁性的耦合结构，从而提高了吸收效果
作者贡献声明
王慧星：撰写初稿、软件开发、方法设计、实验研究。周丽杰：数据整理、方法设计、软件开发、审稿与编辑。邹一杰：撰写初稿、软件开发、实验研究、资金申请。陈可杰：方法设计、实验研究、数据分析。陈伟：软件开发、资源调配、项目管理。安欣：审稿与编辑、项目管理。郑一帆：撰写、审稿与编辑、方法设计。陈一鸣：撰写、审稿
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的资助：国家自然科学基金（项目编号：52275137）；金华市公益技术应用研究项目（项目编号：2024-4-007）；金华市重大工业项目（项目编号：2024-1-001）；浙江省自然科学基金（项目编号：LQ22E030016）；以及国家大学生创新创业训练计划（项目编号：202410345036）。
