通过纳米限域技术制备具有高密度极化位的C/BN/Y?O?复合气凝胶，以实现高效的宽带电磁波吸收

《Applied Surface Science》：Construction of a C/BN/Y 2O 3 composite aerogel with high-density polarization sites via nanoconfinement for efficient broadband electromagnetic wave absorption

　　

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  在氮化硼（BN）纤维中纳米限制Y₂O₃的组装可以创建高密度的极化位点。
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  BN/Y₂O₃层块能够阻断导电路径，从而优化碳气凝胶的阻抗匹配。
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  C/BN/Y₂O₃-50在薄厚度下实现了最低反射损耗（RL_min为?63.06?dB和6.57?GHz的介电衰减（EAB）。
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  CST模拟严格验证了其出色的雷达信号衰减能力。
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  多孔气凝胶结构具有优异的吸声性能（平均系数为0.66）。

引言

无线通信技术和高度集成电子设备的普及加剧了电磁干扰和污染。严重的电磁辐射威胁到人类健康、设备安全和生态系统[1], [2], [3], [4]。电磁波吸收材料为电磁防护提供了有效途径。这些功能性材料能将入射的电磁能量有效地转化为热能[5], [6], [7]。因此，开发低密度、强吸收能力和宽带宽的高性能吸收材料具有重要的应用价值[8], [9], [10], [11]。

基于碳的复合气凝胶为多重散射[12]和界面极化[14], [15]提供了理想的平台。这些材料具有低密度、高比表面积和三维互连网络。然而，碳本身的高导电性通常会在基质内部形成连续的导电路径，导致材料与自由空间之间的阻抗严重不匹配[16]。因此，大部分入射电磁波会在表面反射。引入陶瓷相可以有效分割密集的碳导电网络，从而显著优化阻抗匹配。Ye等人[17]使用化学气相沉积工艺在多孔碳表面沉积碳化硅（SiC），制备出的3D-SiC/PCF复合材料的最低反射损耗（RL_min）为?29.74?dB。Wang等人[18]通过冻干和随后的高温热解制备了C/BN复合气凝胶，这种气凝胶在3.75?mm厚度下实现了最低反射损耗?49.2?dB。但是，单一陶瓷相对异质界面的密度和极化位点有限。引入第二种功能性相是一种有效的方法，这种方法成功地构建了具有丰富极化位点的多相异质结构。Wang等人[19]通过碳化-浸渍法合成了C@Fe/SiO₂复合材料，引入Fe作为第二种功能性相以增加异质界面的密度，有效增强了界面极化，最低反射损耗达到了?41.68?dB。同样，Guan等人[20]使用原位聚合和水热自组装技术制备了NRGO/ZnFe₂O₄@PPy复合材料，加入PPy作为额外的功能组分显著提高了介电损耗能力，所得材料实现了6.4?GHz的宽吸收带宽。然而，第二种功能性相具有高表面能，在制备过程中容易发生严重聚集，这显著减少了有效界面的数量，从而不可避免地削弱了界面极化和介电损耗能力。因此，构建分布均匀且高密度的有效界面仍然是一个关键挑战。

稀土氧化物Y₂O₃的4f电子轨道配置为电子跃迁和极化松弛提供了丰富的路径，赋予了其出色的介电损耗特性。作为宽禁带陶瓷相，氮化硼（BN）不仅有效地破坏了基于碳的导电网络以优化阻抗匹配，还通过与碳基质的异质界面显著增强了界面极化效应[21], [22]。基于此，在本工作中，通过纳米限制组装策略将BN/Y₂O₃单元整体整合到碳导电网络中作为绝缘阻断相，实现了导电路径的系统分割。同时，限制在BN介孔内的Y₂O₃纳米粒子提供了丰富、均匀且稳定的纳米级异质界面，从而最大化了界面极化的贡献[23]。最终，通过冻干和随后的高温碳化过程制备了具有高密度极化位的C/BN/Y₂O₃复合气凝胶。我们系统研究了BN/Y₂O₃异质单元引起的微观结构和成分演变，并深入探讨了空间限制的层次化异质界面对电磁波吸收性能的影响，还全面阐明了层次化损耗的协同机制。

章节片段

C/BN/Y₂O₃气凝胶的制备

将硼酸（0.927?g）、三聚氰胺（0.631?g）和蔗糖（0.185?g）溶解在50?mL去离子水中。混合物在90?°C的水浴中磁力搅拌2?小时，然后自然冷却至室温。随后在?20?°C下冷冻并冻干36?小时以获得M·2B前驱体纤维。这些前驱体在N₂气氛下于1100?°C的管式炉中煅烧2?小时，得到多孔BN纤维。

C/BN/Y₂O₃气凝胶的微观结构和组成

在碳化前后对各种C/BN/Y₂O₃复合气凝胶的微观结构进行了表征。使用扫描电子显微镜（SEM）进行了观察（图1）。SEM图像（图1a–c）显示所有未碳化样品都保持了良好的三维多孔网络结构。CS和PEI作为聚合物粘结剂，BN/Y₂O₃异质纤维相互连接并重叠，形成了复合气凝胶的前驱体。

结论

通过纳米限制组装和导电网络调控的协同策略制备了具有高密度极化位的C/BN/Y₂O₃复合气凝胶。系统研究了BN/Y₂O₃异质单元引起的微观形态和化学组成的演变规律，详细阐明了空间限制的多尺度异质界面对电磁波吸收性能的影响。

CRediT作者贡献声明

Ren Xiaoyu：撰写——原始草案、方法学、形式分析。Liu Zhaowei：验证、调查、数据管理。Luo Ziyun：可视化、数据管理。An Erliang：可视化、数据管理。Hu Songshan：可视化、数据管理。Huang Yanhui：可视化、数据管理。Tang Chen：验证、调查。Tang Yufei：指导、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的冲突财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

国家自然科学基金会（编号52502368）、陕西省杰出青年科学基金（编号2025JC-JCQN-003）、陕西省自然科学基础研究计划（编号2025JC-YBQN-689）以及陕西省教育厅资助的科研计划（编号25JC074）的支持。

Xiaoyu Ren|Zhaowei Liu|Ziyun Luo|Erliang An|Songshan Hu|Yanhui Huang|Chen Tang|Yufei Tang