多功能纤维素纳米纤维辅助制备的磁性碳/碳化硅气凝胶：用于宽带微波吸收与红外隐身技术

《CARBON》：Versatile Cellulose Nanofiber Assisted Preparation of Magnetic Carbon/MXene Aerogel for Broadband Microwave Absorption and Infrared Stealth

　　

董梦瑶|周立|王敬豪|王刚|张向宁|郭思杰|吴南楠

中国重庆工业职业技术学院车辆工程学院材料加工与模具技术国家重点实验室，重庆 401120

摘要

开发兼具微波吸收和红外（IR）隐身特性的材料对于现代多光谱伪装技术至关重要，但这仍然面临挑战。本研究通过纤维素纳米纤维（CNF）辅助冻干及随后的热解过程，制备了一种磁性碳/MXene气凝胶。CNF作为可持续的骨架，构建出三维（3D）多孔网络，有效防止MXene层叠，并使金属有机框架（MOFs）衍生的CoCu@C纳米粒子均匀分散。这种独特的结构结合精心设计的电磁（EM）组件，使得由CNF衍生碳（CNFC）、MXene和CoCu MOF成分组成的复合材料具备优异的微波吸收和隔热性能。优化后的复合材料实现了最低-63.83 dB的反射损耗和7.04 GHz的超宽有效吸收带宽，可覆盖整个Ku波段。当调整到3.08 mm的厚度时，其吸收带宽还能覆盖X波段。此外，由于其高度多孔和隔热的结构，该气凝胶还表现出显著的IR隐身能力。本研究为设计 lightweight、高性能、多功能电磁隐身材料提供了有效策略。

引言

随着电子信息技术的飞速发展以及对军事隐身技术的迫切需求，电磁波吸收材料（EMAMs）在解决电磁干扰污染和提高武器及装备生存能力方面发挥了关键作用。[1],[2],[3] 理想的EM吸收材料应具备“轻量化、可调带宽和强吸收能力”等综合特性。[4],[5] 传统的磁性吸收剂密度较高，由于阻抗匹配差和吸收频带宽窄，应用受到限制。因此，探索新型高效EM吸收材料已成为先进EMA材料发展的重要趋势。

近年来，二维过渡金属碳化物/氮化物（MXene），尤其是Ti₃C₂T_x，展现出优异的金属导电性、丰富的表面官能团和可调的层状结构，在电磁吸收领域具有巨大潜力。[6],[7],[8] 为了实现高效EMAMs，必须同时具备强大的耗散能力和优异的阻抗匹配性能。然而，MXene过高的导电性会导致阻抗匹配不佳，从而在表面反射电磁波，减弱吸收效果。先前的研究表明，将MOFs衍生物整合到MXene中不仅可以提供磁损耗机制，还能与介电材料协同作用，优化阻抗匹配。[9],[10],[11],[12] 例如，李等人通过NiFe MOF/MXene前驱体的退火工艺合成了NiFe@NC/Ti₃C₂T_x/TiO₂，其在1.66 mm时的反射损耗达到-60.48 dB，展现了优异的微波吸收性能。[10] 从CoFe-MOF@Ti₃C₂T_x衍生的核壳CoFe/C@TiO₂/C材料的最佳吸收带宽可达6.1 GHz。[11] 刘等人研究了Ti₃C₂T_x MXene/MOFs衍生的CoNi双金属纳米粒子的微波吸收性能，其在仅1.76 mm的厚度下实现了最低-54.6 dB的反射损耗。[12] 尽管由MXene和MOFs衍生物组成多种成分，微观结构在决定微波吸收性能中也起着重要作用。将二维材料排列成具有三维连通多孔网络的宏观结构，不仅有效防止MXene层叠，还为电磁波的传播提供了丰富的界面和传输路径，增强了界面极化和多次散射效应。[14],[15],[16],[17],[18] 然而，很少有研究专注于将0D磁纳米粒子、1D CNF和2D MXene整合到三维微结构中，以实现高效微波吸收。

此外，为了应对复杂检测环境的挑战，EMAMs还需要具备隔热和红外（IR）隐身等多种功能，这需要控制材料表面温度以减少在红外探测信号下的识别率。[19] MXene因其低红外发射率而被视为理想的IR隐身材料，其气凝胶的多孔结构有助于减少热量传递，从而提升隔热性能。[20],[21],[22] 因此，制备兼具微波吸收和红外隐身功能的MXene基气凝胶，再加上轻量化和柔性的特点，极大地扩展了其在多光谱兼容隐身领域的应用前景。

本研究通过冻干和随后煅烧的方法，制备了一种基于1D纤维素纳米纤维（CNF）、2D MXene和0D CoCu颗粒的三维磁性气凝胶。CNF的引入作为可持续的骨架和粘合剂，有效防止了MXene纳米片的层叠，并有助于形成坚固的多孔气凝胶结构。这种独特的结构结合CNF衍生碳（CNFC）、MXene和CoCu MOF成分之间的磁电协同效应，使复合材料在微波吸收和红外隐身方面表现出色。所得CNFC/MXene/CoCu@C气凝胶的反射损耗最低为-63.84 dB，有效带宽为7.04 GHz，覆盖整个Ku波段。本研究为开发轻量化、多功能电磁隐身材料提供了新策略。

章节摘录

材料

所有化学试剂，包括聚维吡咯烷酮（PVP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、乙醇、对苯二甲酸、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）、三水合硝酸铜（Cu(NO₃)₂·6H₂O）和羟乙基纤维素（CNF）粉末均为分析纯度，购自中国国药化学试剂有限公司。Ti₃AlC₂ MAX相粉末（纯度99%）由吉林11科技有限公司提供。

CoCu MOFs和Ti₃C₂T_x MXene的制备

CoCu-MOFs前驱体通过一步溶热法合成

结果与讨论

图1展示了CMCCC气凝胶的合成路线。首先，通过选择性蚀刻商业Ti₃AlC₂粉末中的铝层获得Ti₃C₂T_x MXene。随后，通过一步溶热法合成CoCu-MOFs前驱体，其中金属盐和有机配体在混合溶剂中反应。为了构建三元复合材料，先将CNF粉末分散在去离子水中形成均匀悬浮液。然后，将制备好的MXene和CoCu-MOFs

结论

总之，通过可行的冻干和退火工艺成功制备了一种轻量化、多功能化的CNFC/MXene/CoCu@C复合气凝胶。1D CNF的引入作为粘合剂促进了基于MXene的多孔气凝胶的形成，而MOF前驱体中的磁性CoCu纳米粒子的加入建立了丰富的异质界面。介电损耗和磁损耗之间的协同效应赋予了该复合材料优异的性能

CRediT作者贡献声明

周立：数据分析。王敬豪：实验研究。董梦瑶：初稿撰写、数据整理、概念构思。郭思杰：软件开发。吴南楠：撰写审查与编辑、数据可视化、实验监督。王刚：实验研究。张向宁：软件开发

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

本研究得到了重庆市教育委员会的科学技术研究计划（项目编号：KJQN202403205、KJZD-M202503201、KJQN202303213、KJQN202403225）、自然科学基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-GPX0142）的财政支持。