林业废弃物衍生多孔碳材料活化温度优化及其在雷达吸波技术中的应用研究

本研究针对电磁干扰(EMI)污染问题，创新性地采用CO2物理活化法处理废弃木材面板制备生物炭，开发出具有-37.2 dB反射损耗(RL)和1.25 GHz有效吸收带宽(EAB)的硅橡胶复合材料，为可持续雷达吸波材料(RAM)的大规模生产提供了节能14-28%的解决方案，契合联合国2030可持续发展目标。

　　

随着5G通信和物联网(IoT)设备的普及，电磁干扰(EMI)已成为威胁电子设备安全和人体健康的重要问题。传统雷达吸波材料(RAM)依赖高成本化学活化工艺或不可再生的碳纳米管，不仅产生腐蚀性废液，还违背可持续发展理念。这促使科研人员将目光转向林业废弃物转化的生物炭材料——一种通过热解生物质获得的富碳多孔材料，但其活化工艺的能耗与性能平衡仍是产业化瓶颈。

加拿大魁北克省研究人员在《Journal of Renewable Materials》发表的研究，创新性地采用CO₂物理活化法处理废弃木材面板，系统比较750°C、850°C和950°C活化产物的电磁特性。研究发现750°C活化样品在硅橡胶基质中展现出最优性能：反射损耗(RL)达-37.2 dB（11.3 GHz频段），有效吸收带宽(EAB)1.25 GHz，且比高温活化节能14-28%。这项工作为开发柔性、环保的电磁屏蔽材料提供了新思路，同时实现了废弃物资源化利用。

研究采用场发射扫描电镜(FEG-SEM)观察微观形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析元素组成，氮气吸附测定比表面积(S_BET)，矢量网络分析仪(VNA)测试复介电常数(ε_r=ε′-jε″)。样本来源于魁北克Val d'Or地区的废弃刨花板，经工业级快速热解后在不同温度下CO₂活化。

【形态与结构分析】电镜显示750°C样品具有典型蜂窝状结构，孔径分布集中在0.73 nm（DFT法测定）。XPS证实其碳含量达94%，高于高温样品（850°C为87.9%），归因于高温下CO₂对碳基质的氧化侵蚀。拉曼光谱I_D/I_G比值随温度升高而降低，表明750°C已实现良好的石墨化程度。

【电磁性能】750°C样品表现出最高虚部介电常数(ε″≈1)，介电损耗因子(tanδ_ε)达0.5。三维反射损耗图谱显示其8.4 mm厚度样品在11.3 GHz处RL达-37.2 dB，优于850°C(-13.88 dB)和950°C(-12.98 dB)样品。衰减常数(α)计算证实750°C样品具有最强的电磁波耗散能力。

【机制分析】通过λ/4波长匹配模型揭示，750°C样品的优异性能源于导电损耗与介电损耗的协同作用：较高碳含量提升导电性，而保留的含氧官能团(C=O, O-C-O)增强极化损耗。相比之下，高温样品因CaCO₃晶体增多（XRD检测）导致介电性能下降。

该研究确立了750°C为生物炭活化的能效平衡点，所开发的硅橡胶复合材料兼具柔性特质与-10 dB以下宽频吸波能力，适用于电磁屏蔽罩、微波暗室等场景。从循环经济视角看，这项技术不仅使每吨林业废弃物增值220-633美元（据2022-2032年市场预测），更规避了传统KOH活化法产生的腐蚀性废液问题。未来可探索重金属吸附后的废生物炭“变废为宝”作为RAM增强相，进一步拓展可持续材料的应用边界。