综述：通过电纺技术构建碳基纳米纤维结构，以提升电磁功能性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Structural engineering of carbon-based nanofibers via electrospinning for enhanced electromagnetic functionality

　　•本文综述了用于电磁应用的静电纺丝碳基纳米纤维的最新进展。•阐述了电磁波衰减机制以及结构与性能之间的关系。•系统比较了表面、多孔、内部及中空结构设计。•指出了先进静电纺丝技术及集成电磁器件的发展方向。

引言
5G通信、人工智能、物联网以及高频电子技术的快速发展，提高了电子系统的集成密度和运行频率[1,2]。这一趋势加剧了电磁污染，可能干扰设备正常运行和信息传输，甚至威胁人类健康与环境[3]。因此，亟需轻质且高性能的微波吸收材料及电磁干扰屏蔽材料[4]。碳基材料因其低密度、可调控的电导率以及优异的介电损耗特性而备受关注[5]。近年来，源自可再生生物质的生物基电磁复合材料因其可持续性、分级多孔结构、轻质特性以及良好的电磁吸收性能，成为极具潜力的候选材料[[6], [7], [8]]。其中，碳纳米管、石墨烯以及碳基纳米纤维具备出色的电磁衰减能力[9,10]。

静电纺丝技术因其操作简单、能够实现连续生产且适合大规模制造，已成为制备碳基纳米纤维的最有效方法之一[11,12]。通过调控纤维成分、孔隙率以及异质界面，静电纺丝得到的碳基纳米纤维能够有效控制导电损耗、界面极化现象以及阻抗匹配情况，从而提升其电磁波吸收性能[13,14]。与传统制备方法相比，静电纺丝具有更高的结构灵活性和更广泛的材料兼容性，可用来制备多种结构，包括无纺膜、有序排列的纤维、气凝胶、蜂窝结构、多孔结构、中空纤维以及核壳结构[[15], [16], [17]]。静电纺丝技术的不断进步推动了碳基纳米纤维吸波材料向多尺度结构设计、多功能集成以及宽频高效电磁波吸收方向发展，为新一代轻质电磁功能材料及器件的研发提供了新机遇[18,19]。

本综述总结了用于电磁功能材料的静电纺丝碳基纳米纤维的最新研究成果。首先探讨了微波吸收机制，重点分析了介电损耗、磁损耗以及阻抗匹配之间的协同作用；随后研究了静电纺丝参数对纤维形态及电磁性能的影响。与以往主要聚焦于材料成分或制备技术的综述不同，本文着重介绍了静电纺丝碳基纳米纤维的结构设计，包括多孔结构、表面工程处理后的结构、内部结构以及中空结构，以及它们对应的电磁响应机制（见图1）。最后，文章还分析了当前的研究进展、面临的挑战以及未来发展方向，旨在为轻质、高效电磁功能材料的合理设计提供指导。

章节要点
静电纺丝技术基础
静电纺丝系统主要由高压电源、注射泵、喷丝头、聚合物溶液以及收集装置组成。施加的电场会在喷丝头尖端形成泰勒锥体，促使液滴喷射出来，而注射泵则负责精确控制溶液的流速。在静电纺丝过程中，聚合物液滴会随着溶剂蒸发而被拉伸并固化成纤维。收集装置则通过将纤维收集起来，决定其最终的形态，使其呈现有序排列或……

介电损耗
碳基纳米纤维微波吸收材料中的介电损耗表现为复杂的介电常数形式，即εr = ε′ – jε″。它主要是由导电损耗和极化损耗共同作用引起的。其中，ε′代表材料储存电磁能量的能力，而ε″则表示能量的耗散情况。介电损耗的大小通常通过损耗正切值tanδε = ε″/ε′来衡量[24]。适当提高碳基纳米纤维的电导率可以……

表面工程
表面工程通过调控界面性质来优化碳基纳米纤维的电磁性能。碳基纳米纤维的功能化表面为多种改性方法提供了可能，包括原位催化生长、水热反应、化学气相沉积以及聚合反应[40,41]。通过调整表面形态和界面特性，这些方法能够改善阻抗匹配情况，提升电磁波的穿透能力。下文将介绍三种典型的改性策略。

吴氏研究团队

结论与展望
得益于其连续化生产能力和出色的结构可调性，静电纺丝技术显著推动了基于碳基纳米纤维的电磁波吸收材料的研发。通过工艺优化来调控导电损耗和阻抗匹配，还可进一步改善其电磁性能。未来的研究应侧重于结构控制、宽频多光谱吸收能力提升、可规模化制造技术以及器件集成，以此推动这类材料的实际应用。

结论
本文总结了目前静电纺丝碳基纳米纤维微波吸收材料的研究进展。文中详细分析了碳基纳米纤维的微波吸收机制，系统阐述了静电纺丝的基本原理、关键工艺参数以及先进的结构调控技术。此外，还探讨了具有不同结构的碳基纳米纤维的设计策略及其性能提升机制，如中空结构、多孔结构、内部结构等。

作者贡献说明
Mengnan Che：撰写原文初稿、开展研究、进行正式分析、整理数据。Qi Zheng：撰写原文初稿、确定研究方法、开展研究、进行正式分析、整理数据、构思研究框架。Yaning Tang：开展研究、进行正式分析。Yuchang Wang：进行正式分析。Na Sun：进行正式分析。Xiujuan Lin：进行正式分析。Shifeng Huang：进行正式分析。Maosheng Cao：负责文章审阅与编辑、项目管理、争取资金支持、进行正式分析、构思研究框架。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52373280和52177014）、山东省自然科学基金（项目编号ZR2026QC1494和ZR2024ME022）、济南大学年度青年人才科研计划（项目编号XJ2026001603）、国家“揭榜挂帅”重大科技项目、“泰山学者”计划tsqn项目（项目编号202507208）以及建筑材料领域技术挑战项目的支持。