分层设计的生物质衍生磁性气凝胶，用于宽带电磁衰减及多种功能应用

《Journal of Materials Science & Technology》：Hierarchically architected biomass-derived magnetic aerogels for broadband electromagnetic attenuation and functionalities

生物质气凝胶通过冰模板法自组装并引入铁纳米颗粒原位生长碳纳米管三维网络，实现超低密度（2.05mm）宽频带（7.44GHz）电磁吸收，同时保持200°C高温下的优异热绝缘性能。

　　在现代电子技术迅猛发展的背景下，第五代（5G）无线通信、物联网（IoT）以及智能终端的广泛应用，使得高频电磁波的使用日益频繁，同时电子组件的集成密度也在不断提高。这一趋势不仅加剧了电磁辐射污染，也对精密仪器、通信安全以及人类健康构成了严重威胁。为了应对这些挑战，研究人员不断探索高性能电磁吸收材料的开发，以实现对电磁波的有效抑制。然而，现有的材料体系在实现强、宽频电磁吸收的同时，仍然面临轻量化和薄型化方面的根本性限制。

传统电磁吸收材料主要包括磁性材料、碳基材料、陶瓷基材料以及聚合物基材料等。磁性材料虽然具有良好的磁损耗性能，但受到Snoek极限的制约，在高频下磁导率和磁损耗会显著下降，限制了其应用范围。碳基材料虽然具有优异的导电性能和可调节的微结构，但其固有的高介电常数导致了严重的表面阻抗失配，从而引发不必要的电磁波反射。陶瓷和聚合物基材料通常依赖单一的电磁损耗机制，难以实现有效的电磁波吸收。为拓宽吸收带宽，研究人员往往通过增加材料厚度来增强损耗强度，或者通过构建阻抗梯度或引入更多损耗成分来扩大物理体积。然而，这种策略引入了一系列内在矛盾。一方面，增加厚度直接违背了现代电子设备对超薄和轻质吸收材料的需求；另一方面，过厚的材料可能导致寄生相位干扰，这是由多层内部反射引起的，会破坏阻抗连续性，最终降低吸收带宽。

鉴于上述问题，三维多孔材料逐渐成为解决电磁吸收性能瓶颈的有前景方案。这类材料凭借其独特的轻质特性和在梯度阻抗匹配方面的优势，展现出良好的应用潜力。根据有效介质理论，三维多孔材料通常具有分层的孔结构，包括微米级的初级孔和纳米级的次级孔，这不仅降低了材料的表观密度，还通过多重散射/反射效应延长了电磁波的传输路径。同时，这些材料中的相互连接导电网络能够通过局部电子迁移和介电损耗机制显著增强能量耗散效率。其中，碳基气凝胶在轻质微波吸收材料中表现出显著优势。与传统碳基材料相比，其固有的分层多孔结构、低密度、高导电性和可调微结构不仅有助于优化阻抗匹配，还能实现多功能集成，而不会影响其轻质特性。

值得注意的是，尽管碳基材料固有地具有较高的介电常数，但当其被构建为三维多孔结构时，其低密度和梯度孔结构可以显著降低材料的有效介电常数，从而有效改善阻抗匹配。通过引入磁性/介电功能组分构建异质结构（例如，Ni@C/rGO、MXene/Co?O?、NRGO/MgFe?O?/PANI等），三维多孔网络与多组分相互作用之间的协同效应能够有效提升微波吸收性能。具体而言，磁性/介电组分的协同作用可以优化材料的阻抗匹配特性。一方面，合理设计的三维结构能够通过促进电子迁移增强电磁波的衰减；另一方面，多尺度异质界面可以诱导极化损耗。这些协同效应成功突破了传统材料“高厚度—窄带宽”的应用瓶颈，解决了增厚策略与轻量化需求之间的冲突，以及在追求宽频段时阻抗匹配的退化问题。由此可见，合理构建三维多孔网络和多组分复合气凝胶在平衡优异的阻抗匹配和强损耗能力方面具有内在优势。此外，在面对日益复杂的使用环境时，气凝胶的优异隔热性能及其机械强度和高温抗性也变得尤为重要。这些多功能特性超越了传统电磁吸收材料单一功能的局限，使得气凝胶能够在极端环境中实现长期稳定的保护。

本研究提出了一种新型的生物基复合气凝胶，其结构融合了仿生分层多孔架构与碳纳米管（CNTs）连接网络。该气凝胶通过冰模板受限自组装策略制备，采用柑橘皮衍生的纤维素纳米片作为结构骨架，并与壳聚糖进行交联，通过定向装饰铁纳米颗粒来实现碳纳米管的原位生长。这种独特的“纤维素—壳聚糖碳骨架/CNT增强”结构显著增强了阻抗匹配，并促进了多尺度电磁波的衰减。因此，该气凝胶仅需极低的填充量（5 wt%）和极薄的厚度（2.05 mm），即可实现?63.95 dB的反射损耗和7.44 GHz的宽有效吸收带宽。此外，它在200°C的高温下仍能保持出色的隔热稳定性。雷达截面（RCS）模拟和超材料设计分析进一步表明，5 mm厚的配置可实现32.24 GHz的超宽带吸收，覆盖了C波段以及X/Ku/K/Ka波段的全部范围。这些结果表明，本研究提出的分层生物基气凝胶在结构创新与多功能性能的结合上具有显著优势，为下一代隐身和热防护应用提供了有前景的解决方案。

在材料选择方面，铁（III）氯化物六水合物（FeCl?·6H?O）和二氰二胺（C?H?N?）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。绝对乙醇（C?H?OH）、壳聚糖（C?H??NO?）、过氧化氢（H?O?）和冰乙酸（CH?COOH）则来自国药集团化学试剂有限公司。纤维素来源于新鲜的柑橘皮，采用化学脱木质化方法提取。具体步骤包括将1.5 g的冻干柑橘皮在适当的条件下进行处理，以去除木质素并获得纤维素纳米片。这些材料的选择和处理方法为后续气凝胶的制备提供了良好的基础。

在气凝胶的制备过程中，首先通过将壳聚糖（经质子化并在0.5 mL冰乙酸中溶解）与柑橘皮提取的纤维素进行交联，制备出均匀的悬浮液。随后，引入适量的铁（III）氯化物（FeCl?，3 mmol/L），将Fe3?离子加载到基质中。通过铜基底与垂直温度梯度的结合，进行定向冷冻处理，从而形成具有特定结构的冰模板。这一过程不仅有助于构建有序的多孔结构，还为后续的催化热解提供了必要的条件。在受限催化热解过程中，铁纳米颗粒作为催化剂，促进了碳纳米管的原位生长，使其在气凝胶中形成连续的三维导电网络，同时保持超高的孔隙率。这种结构的形成是实现优异电磁吸收性能的关键。

气凝胶的微观结构表征进一步揭示了其独特的物理特性。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等技术，研究人员能够观察到气凝胶内部的多孔结构和碳纳米管的分布情况。此外，通过阻抗谱分析，可以评估气凝胶在不同频率下的电磁响应特性。这些表征手段为理解气凝胶的性能提供了重要依据。同时，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC），研究人员能够评估气凝胶在高温下的热稳定性和隔热性能。这些实验结果进一步验证了气凝胶在极端环境下的适用性。

在性能测试方面，研究人员通过测量反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）来评估气凝胶的电磁吸收能力。测试结果表明，该气凝胶在极低的填充量和极薄的厚度下，仍能实现?63.95 dB的反射损耗和7.44 GHz的宽有效吸收带宽。这表明，该气凝胶在电磁吸收性能方面具有显著优势。此外，通过雷达截面（RCS）模拟，研究人员发现5 mm厚的气凝胶配置可实现32.24 GHz的超宽带吸收，覆盖了C波段以及X/Ku/K/Ka波段的全部范围。这些结果表明，该气凝胶在电磁吸收性能方面具有极高的应用潜力。

在热稳定性测试中，研究人员通过高温环境下的性能评估，发现该气凝胶在200°C的高温下仍能保持出色的隔热性能。这表明，该气凝胶不仅具有优异的电磁吸收性能，还具备良好的热稳定性。这种热稳定性对于实际应用至关重要，尤其是在高温环境下工作的电子设备中。此外，通过机械性能测试，研究人员发现该气凝胶具有较高的机械强度，这使得其在实际应用中更加可靠和耐用。

综上所述，本研究提出了一种新型的生物基复合气凝胶，其结构融合了仿生分层多孔架构与碳纳米管连接网络，通过冰模板受限自组装策略实现。该气凝胶不仅具有优异的电磁吸收性能，还具备良好的热稳定性和机械强度。这些特性使其在现代电子设备中具有重要的应用价值，尤其是在需要轻量化、宽频段电磁吸收和高温防护的场景中。未来的研究可以进一步探索该气凝胶在不同环境下的适用性，以及其在更广泛领域的应用潜力。