木材衍生三维导电多孔Bio-C@YB2C2陶瓷用于高效电磁屏蔽与焦耳加热

《Electron》：Wood-Derived 3D Conductive Cellular Bio-C@YB2C2 Ceramics for Efficient Electromagnetic Shielding and Joule Heating

　　

材料的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）与其微观结构密切相关。模仿自然界是设计高性能材料的有效且实用的策略，尽管这仍然是一个巨大的挑战。在此，研究人员通过在碳化木材模板上进行原位硼/碳热还原反应，合成了一种仿生、各向异性、坚固的木材衍生三维导电Bio-C@YB2C2框架。所获得的Bio-C@YB2C2复合材料精确继承了天然木材的特定微观结构，为太赫兹波耗散提供了通路。复合材料的热导率和电导率随着层状超导体YB2C2包覆在Bio-C表面的含量增加而提高。所得的Bio-C@30YB2C2陶瓷表现出优异的性能，包括高达12.36 W·m?1·K?1的热导率、出色的204.13 S·cm?1电导率，以及高效的焦耳加热性能，在1.5 V外加电压下达到173.3°C。同时，对于厚度为1.5 mm的样品，其在X波段（8.2–12.4 GHz）表现出显著的EMI SE（55.5 dB），归一化EMI SE/t值高达37.0 dB·mm?1，超越了同等厚度下众多其他EMI屏蔽材料及其复合材料。这归因于垂直排列且密集互连的微通道中的多次反射、Bio-C@30YB2C2界面处的传导损耗和界面极化，以及YB2C2的超导性。该方法预计将为设计超高温电磁屏蔽和电加热材料提供新的见解。

木材衍生三维导电多孔Bio-C@YB₂C₂陶瓷：电磁屏蔽与焦耳加热性能研究解读

一、研究背景与意义

随着5G移动通信技术的普及和各类便携式设备的快速发展，电磁污染已成为一种类似于空气和水污染的普遍性污染形式。电子设备和组件在宽频率和波长范围内辐射大量电磁波，可能干扰邻近电路和设备，影响精密电子仪器的正常运行。此外，这一现象还伴随热量产生，并对信息安全构成威胁。因此，在某些极端环境中，电磁屏蔽材料即使在超高温下也必须表现出卓越的稳定性。长期以来，开发具有耐高温、优异导热和导电性能以及有效电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）的轻质材料，一直是缓解电磁辐射污染的核心焦点。材料的EMI SE不仅由其组成决定，还与其微观结构密切相关。

碳基复合材料作为电磁干扰屏蔽材料备受关注，其中碳纤维、石墨烯片、炭黑和碳纳米管等填料被广泛用于有序结构中形成导电网络。然而，由于固有的加工复杂性，制造结构有序的微观结构仍然具有挑战性。在此背景下，通过热解天然木材制备的木材衍生生物碳（Bio-C）模板因其天然具有明确的分级有序结构而极具吸引力。Bio-C模板展现出具有长程取向的固有有序三维（3D）孔结构，能够大幅增加入射电磁波的内部反射，并有效将电磁能转化为热能。然而，Bio-C模板单一的屏蔽机制限制了其潜在应用。

层状MAX相陶瓷材料具有类似金属的优异导电和导热性能。将此类材料引入Bio-C模板，归因于其优异的强度、耐高温性（超过1800°C）和耐受腐蚀环境的能力。REB₂C₂材料是三元稀土硼碳化合物家族的一员，具有与MAX相陶瓷相似的纳米层状结构，并表现出良好的断裂韧性和优异的损伤容限。以YB₂C₂为例，密度泛函理论（DFT）计算揭示其电子结构表现出典型的金属行为，费米能级处总态密度为1.663电子/eV。YB₂C₂具有2500°C的高熔点，使其成为超高温电磁屏蔽的潜在陶瓷材料。然而，由于缺乏相关研究，目前对YB₂C₂的研究和应用有限。因此，对YB₂C₂材料的研究对于扩展电磁屏蔽材料数据库具有重要意义。

传统熔盐法在将目标相组装到Bio-C模板中时存在反应程度控制困难、高温热解过程损伤木材细胞壁结构导致碳模板强度下降等问题。因此，研究人员提出了一种简便可控的方法，将YB₂C₂组装到Bio-C模板上，制备多尺度分级多孔陶瓷（Bio-C@YB₂C₂），系统研究其导热性、导电性和EMI SE性能。该研究发表于《Electron》期刊。

二、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：以贵州黔东南州云杉为原料，经高温热解制备Bio-C模板；通过真空浸渍将硝酸钇（Y(NO₃)₃）和纳米碳化硼（B₄C）粉末的混合悬浮液引入Bio-C模板；在1850°C、0.225 MPa氩气压力下烧结2小时，通过原位硼/碳热还原反应在Bio-C骨架表面生长YB₂C₂相。研究中采用了X射线衍射（XRD）进行物相分析，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，四探针法测试电导率，激光闪射法（LFA）测定热导率，矢量网络分析仪（VNA）在X波段（8.2–12.4 GHz）测量EMI SE值，三点弯曲试验测定抗弯强度，红外热像仪记录热传递速率和焦耳加热性能。

三、研究结果

3.1 物相演变与微观结构

通过控制Y(NO₃)₃浓度从0.36 mol·L^?1增加至2.64 mol·L^?1，YB₂C₂的质量分数从11 wt.%逐渐增加至55 wt.%。XRD分析表明，烧结温度从800°C升至1400°C时仅观察到YBO₃相；温度升至1600°C时主相转变为富碳三元化合物相YB_xC_y；达到1800°C时YB₂C₂衍射峰显著增强，中间产物消失，转变温度约为1800°C。1850°C烧结后仅检测到YB₂C₂的强衍射峰。微观结构观察显示，Bio-C@YB₂C₂陶瓷完美保留了Bio-C模板的多孔管壁结构，孔径约20–40 μm，壁厚约2–3 μm。EDS mapping证实Y元素在细胞壁上均匀分布。随着YB₂C₂含量增加至30 vol.%，孔结构从矩形逐渐转变为六边形，最终形成近圆形，这是由开尔文效应和界面化学势差驱动的形貌演变。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）的HAADF和ABF图像清晰揭示了YB₂C₂沿[0 0 1]方向的原子排列，证实Y原子层和B-C原子层交替堆叠，与P4₂/mmc晶体学模型一致。

3.2 热学与电磁屏蔽性能

随着YB₂C₂含量从4.49 vol.%增加至29.73 vol.%，陶瓷的轴向热导率从5.33 W·m^?1·K^?1提升至12.36 W·m^?1·K^?1。红外热成像显示，Bio-C@30YB₂C₂陶瓷在约4秒内表面温度即可达到约100°C，表现出高效的热传递能力。电导率方面，Bio-C模板为11.96 S·cm^?1，当YB₂C₂相体积分数达到4.49 vol.%时增至80.13 S·cm^?1，含量达29.73 vol.%时进一步提升至204.13 S·cm^?1。EMI SE测试表明，原始Bio-C的平均SE_T为20.11 dB（99%屏蔽效率），而Bio-C@30YB₂C₂的平均SE_T高达55.61 dB，屏蔽效率超过99.999%。SE_R从Bio-C的8.39 dB增加至Bio-C@30YB₂C₂的18.87 dB，SE_A从14.84 dB提升至36.74 dB。归一化EMI SE/t值高达37.0 dB·mm^?1，处于多孔电磁屏蔽材料的前沿水平。屏蔽机制包括：高电导率导致的阻抗失配增强反射损耗；YB₂C₂连续致密导电层中的传导损耗；蜂窝结构中多界面反射散射和界面极化；以及微通道中的多次反射延长传输路径增加能量耗散。

3.3 焦耳加热性能

Bio-C@30YB₂C₂在0.3 V低电压下表面温度为36.3°C，电压升至1.5 V时表面温度快速升至173.3°C。表面温度与电压平方呈线性关系，符合焦耳定律。该材料表现出快速的热响应特性，在1.5 V电压下仅需8秒即可达到80°C。红外热成像显示不同电压下样品表面温度分布均匀。在1.1 V输入电压下，材料表现出超过1000秒的电热稳定性，且第1、5、10次循环的表面温度曲线几乎完全重叠，验证了优异的电热稳定性。

3.4 轴向抗弯强度

随着YB₂C₂含量从4.49 vol.%增加至29.73 vol.%，陶瓷的抗弯强度从6.8 MPa显著提升至10.3 MPa。这归因于高性能YB₂C₂陶瓷相对碳基细胞壁骨架的增强作用，以及孔结构从矩形向近圆形转变后应力集中现象的消除，有效提高了多孔骨架的结构稳定性和力学耐受性。

四、结论

研究人员通过原位硼/碳热还原反应，在碳化云杉模板、Y₂O₃和B₄C之间合成了木材衍生的三维导电Bio-C@YB₂C₂多孔陶瓷。所获得的Bio-C@YB₂C₂复合材料精确继承了天然木材的特定微观结构。纵向方向具有长程排列、密集互连的Bio-C@30YB₂C₂微通道的蜂窝状微观结构作为连续的导热和导电高速公路，从而实现了出色的热导率（12.36 W·m^?1·K^?1）和优异的电导率（204.13 S·cm^?1）。这种独特的蜂窝结构促进了多次内部反射和界面极化，从而使厚度为1.5 mm的样品在8.2–12.4 GHz频率范围内实现了显著的EMI SE（55.5 dB），归一化EMI SE/t值高达37.0 dB·mm^?1，超越了同等厚度下众多其他EMI屏蔽材料及其复合材料。此外，Bio-C@30YB₂C₂陶瓷表现出优异的电热转换性能，仅需1.5 V电压即可达到173.3°C的表面温度。因此，本工作开发的轻质多功能Bio-C@YB₂C₂多孔陶瓷在电磁防护和隐身技术领域显示出巨大的应用潜力。