综述：用于宽带衰减的生物质基电磁波吸收材料：天然禀赋、损耗–匹配协同与多尺度设计

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Biomass-derived electromagnetic wave absorbers for broadband attenuation: natural endowments, loss–matching synergy, and multiscale design

　　

摘要

生物基衍生的电磁波吸收材料利用可再生原料，其固有的通道结构、纤维网络、成分异质性及可转化的无机相可支持阻抗匹配、传播控制及多通道损耗。本文综述建立了一个"原料—功能"框架，将生物质赋存特性、热化学结构演化、电磁响应与宽带设计联系起来。文中评估了碳化、杂原子/缺陷工程、功能相集成、活化致孔、取向或梯度结构以及三维网络如何调控电导、极化、磁损耗及内部传播。一种代表性体系在2.2 mm厚度下实现了最低反射损耗（RL_min）?73.8 dB，同时具有5.8 GHz的有效吸收带宽（EAB）；另一独立体系在2.25 mm厚度下实现了本文综述中最大的EAB，达13.4 GHz。证据表明，强反射损耗与宽带宽需要电导率、极化密度、磁响应、孔连通性及传播长度之间具有厚度依赖性的协同配合，而非最大化单一损耗通道。其核心新颖性在于区分固有天然结构与工程化孔道/界面，并将它们纳入统一的跨尺度设计逻辑中。该框架指出，原料导向的成分、孔道及空间结构调控，结合稳定性、可扩展性和器件集成，是实现从实验室性能迈向实用宽带吸收材料的路径。

引言

5G/6G通信、物联网、卫星通信及雷达探测的快速进步加剧了电磁干扰，并增加了对宽带、轻量化且适应场景的吸收材料的需求[1]、[2]。尽管射频电磁场暴露的生物效应仍有争议，但已报告的风险评估值得持续关注[3]、[4]。国防与航天系统同样需要轻量化、高效且宽带吸收以实现雷达隐身和电子对抗[5]。因此，吸收材料设计日益追求在宽频率范围内实现稳定且可调的衰减，而非在单一频率下实现强吸收[6]。

电磁波吸收材料首先需要允许入射波进入，然后通过介电损耗、磁损耗、电导损耗、界面极化以及多次反射/散射来耗散其能量。与主要阻隔透射的屏蔽材料不同，吸收材料需要入射、传输与耗散的协同配合[7]、[8]。因此，有效的宽带吸收依赖于平衡电磁参数、厚度、微观结构与空间构型，以在维持阻抗匹配的同时耦合多种损耗机制并拓宽匹配窗口[9]。

传统吸收材料包括金属及合金、磁性化合物、碳基/硅基材料、导电聚合物及其复合材料。金属及磁性体系可提供强电导或磁损耗，但可能存在密度大、易氧化且阻抗匹配不佳的问题；碳基材料轻量化且可调，但可能出现过高的介电响应；导电聚合物则提供了柔韧性，但仍面临热稳定性及长期稳定性方面的挑战[10]。它们的共同挑战在于平衡衰减、阻抗匹配、低密度、带宽及工程适用性。

生物基衍生的碳材料为电磁波吸收提供了一种可再生且具有结构特色的途径。纤维素、半纤维素、木质素及少量无机组分在热化学转化过程中可生成具有杂原子位点及缺陷的多孔碳骨架[11]。天然纤维网络、取向通道、分级孔道及多尺度界面也可被继承或重构，以促进多次反射、界面极化和更长的传播路径[12]。因此，其价值在于将可持续性、可调化学性质及多尺度结构赋存特性结合起来，以实现阻抗匹配与多通道耗散。

然而，生物基衍生的碳材料并不能天然实现宽带吸收，因为前驱体成分、灰分含量、孔结构、热解行为及结构继承性差异巨大。直接碳化材料可能出现电导率不合适、极化或磁损耗不足、带宽不连续及服役稳定性有限等问题。因此，结构—功能协同设计——包括碳化控制、活化、杂原子掺杂、功能相复合及异质界面构建——被用于协调阻抗匹配与多通道衰减[13]。实用体系还须解决阻燃性、耐湿热性、环境稳定性及多功能集成等问题[14]。

近期的定量结果展示了不同的结构和成分策略如何实现强吸收或宽带吸收。一种自支撑聚合物衍生SiC基纤维陶瓷膜在2.2 mm厚度下实现了最低反射损耗（RL_min）?27.12 dB，在2.7 mm厚度下实现了8.22 GHz（9.78–18.00 GHz）的有效吸收带宽（EAB）[15]。在生物基衍生体系中，一种玉米须衍生Ni_x–Fe/C复合材料在2.5 mm厚度下达到了?57.17 dB的RL_min，在1.5 mm厚度下实现了4.16 GHz的EAB[16]，而由悬铃木叶片衍生的富缺陷碳材料在2.26 mm厚度下、17.68 GHz频率处实现了?29.79 dB的RL_min及6.72 GHz的EAB[17]。由于这些研究使用了不同的材料形态且未一致报告吸收剂负载量，这些数值代表互补的设计范例而非严格的性能排名。总体而言，它们证明了纤维网络设计、磁性相集成及缺陷/极化调控可在不同厚度条件下提供通往强衰减或宽匹配窗口的不同路径。

本综述按照原料赋存特性、结构演化、电磁响应和宽带设计的顺序考察生物基衍生的电磁波吸收材料。首先定义阻抗匹配及主要损耗机制的作用与边界，然后将生物质来源和天然结构与碳演化及电磁性能联系起来，最后评估成分、孔结构和空间结构调控。该框架旨在指导可持续、轻量化且宽带的吸收材料设计。

图1将生物质赋存特性与损耗和匹配机制、加工策略以及轻量化、薄层化、宽带化和高效吸收的工程目标联系起来。

章节摘要

电磁波吸收性能与机制

电磁波吸收性能由入射耦合、内部传播和能量耗散共同决定。介电损耗和磁损耗提供主要的衰减通道；阻抗匹配决定电磁波能否有效进入材料；多次反射和散射则进一步延长传播路径并增强界面相互作用。因此，本节首先讨论介电损耗和磁损耗，然后

生物质原料来源与特性

生物质用于电磁波吸收的价值不仅在于其可再生性和低成本，还在于由成分异质性、分级孔道、层状结构和纤维网络所构成的设计空间。对于宽带吸收，材料既需要通过阻抗匹配将电磁波引入吸收体，又需要通过介电/磁损耗、极化损耗和多次散射在内部耗散能量。生物质前驱体是

成分调控策略

生物基吸收材料的成分调控本质上是协调碳骨架有序性、缺陷密度、导电网络连通性及异质界面密度。对于以介电损耗为主导的生物基碳体系，吸收性能并非由最大化单一参数决定，而是在维持阻抗匹配的前提下，形成电导损耗、偶极/界面极化与磁损耗之间连续且均衡的响应。在宽带

结论

本综述系统讨论了生物基电磁波吸收材料的机制基础、原料特性及制备/调控策略。高效响应并不依赖于单一损耗机制的极端增强，而是阻抗匹配与内部耗散之间的协同作用。一方面，空气/吸收体界面需要合理的输入阻抗，以便入射波进入材料。另一方面，电磁

作者贡献声明

蒋思雨：初稿撰写、调查研究、形式化分析。王达尚：审阅与编辑、监督指导。楼智超：审阅与编辑、资源支持、项目管理、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文工作报道的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢蔡嘉诚在材料整理及相关技术支持方面提供的帮助。

本研究获得了国家重点研发计划（2023YFE0108300）、国家自然科学基金（32572165）、中央引导地方科技发展—乡村振兴专项资金（20261BDF030003）、林草科技创新发展研究

蒋思雨|王达尚|楼智超