《Environmental Research》：Interfacial polarization-dominated electromagnetic attenuation in biomass-origin porous carbon materials
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1.4mm厚度的生物质磁性多孔碳材料实现-64dB超低反射损耗和Ku波段宽频吸收，兼具33.4dB·m2级雷达散射截面积缩减效果及阻燃特性，为电磁隐身应用提供可持续解决方案。
闵振宝|韩江彩|司琪赵|永杰宝|能力|天成远|魏刚张
中国国家林业和草原管理局竹材工程技术研究中心，中国国家竹材研究院，杭州310012
摘要
生物质衍生的多孔碳由于其低密度、可持续性和可调的微观结构而成为有前景的微波吸收剂；然而，同时实现超薄厚度、宽带吸收和强电磁衰减仍然是一个重大挑战。本文采用废弃的轻木作为可再生前驱体，通过联合脱木质素、溶剂热沉积和高温碳化策略制备了一种多功能磁性多孔碳材料。通过调节碳化温度，在三维碳框架中原位生成了包括Fe3O4、FeO和金属Fe在内的多种磁性相，形成了丰富的异质界面。优化的复合材料（CMBW-3）在仅1.4毫米的厚度下表现出超低的反射损耗-64.0 dB，并且具有覆盖大部分Ku波段的宽有效吸收带宽。电磁参数分析和Cole-Cole图显示，其优异的微波衰减源于介电损耗和磁损耗的协同作用，其中界面极化、导电损耗和磁共振起主导作用。此外，雷达截面模拟表明RCS降低了多达33.4 dB·m2，显示出出色的电磁隐身能力。该材料还表现出良好的阻燃性和快速的焦耳加热响应，突显了其多功能潜力。这项工作为将生物质废弃物转化为高性能、超薄的微波吸收剂提供了可持续且高效的方法，适用于电磁隐身及相关应用。
引言
随着科学技术的快速发展，电子设备的广泛应用导致了日益严重的电磁辐射和干扰问题（Chen等人，2025b, 2025a）。这种复杂的电磁环境可能会干扰电子系统的可靠运行，威胁人类健康，并危及信息安全（He等人，2018；X. Li等人，2025）。因此，人们越来越关注开发轻质、薄型、机械强度高且能够实现宽带吸收的微波吸收材料（Jiang，2024；Xiao等人，2018）。近年来，已经探索了多种吸收剂，包括碳基材料、导电聚合物以及金属及其衍生物（Liu等人，2019；Zhou等人，2019）。尽管一些材料表现出良好的微波衰减性能，但它们的大规模实际应用往往受到高成本、过高密度和化学稳定性不足的限制（Jiang等人，2025a，2025b）。
从材料组成的角度来看，磁性成分特别有吸引力，因为它们可以在保持适度介电损耗的同时提供显著的磁损耗，使其成为电磁波吸收剂的理想候选材料（Niu等人，2023；Wu等人，2022）。在各种磁性材料中，铁氧体是最早应用于波吸收系统的材料之一（Chen等人，2025c；Yang等人，2024）。由于铁氧体具有相对较高的磁导率、较大的饱和磁化强度、强的磁损耗特性以及有利的Snoek极限，它们非常适合实现高效的电磁波衰减，尤其是在高频范围内（Chang等人，2023；Liu等人，2023）。然而，单一铁氧体材料通常存在固有的局限性，如有效吸收带宽狭窄、阻抗匹配不理想和稳定性有限，这极大地限制了它们在电磁波吸收系统中的广泛应用（Wang等人，2022）。为了克服这些缺点，一种广泛采用的策略是将铁氧体与介电成分结合，构建复合材料或定制结构（W. Wang等人，2025；Zhu等人，2025）。碳材料在这方面特别有吸引力，因为它们具有优异的化学稳定性、高长径比、大的比表面积和明显的形状各向异性。更重要的是，碳本身的高介电特性可以显著增强介电损耗。因此，将碳掺入基于铁氧体的吸收剂中可以有效弥补纯铁氧体的不足，如吸收频率范围窄和阻抗匹配差等问题，从而提高整体电磁波吸收性能。
基于碳的吸收剂在电磁波衰减领域受到了广泛关注，因为它们具有广泛的应用性、强的化学稳定性和轻质特性。例如，Tao等人制备了三层壳空心多孔碳纳米粒子（HPCNs-3），在1.6毫米的厚度下表现出5.17 GHz的宽有效吸收带宽和18.13 dB的最低反射损耗（Tao等人，2021）。此外，Chai等人开发了基于多孔空心碳微球的ZnFe2O4@PHCMS复合材料，在7.2 GHz的频率下实现了51.425 dB的最低反射损耗，吸收剂厚度为4.8毫米，有效吸收带宽为3.52 GHz（Chai等人，2021）。Tang及其合作者开发了由炭黑和还原氧化石墨烯组成的复合材料（Tang等人，2019）。值得注意的是，当填料比例低至7 wt%时，该材料在2.2毫米的吸收剂厚度下表现出47.5 dB的峰值反射损耗，显示出在低负载条件下的高效微波衰减。尽管取得了这些显著成就，但仍需要进一步改进以减小吸收剂厚度和提高衰减效率（Jin等人，2026；J. Wang等人，2025；Zhu等人，2026）。此外，高昂的材料成本仍然是限制大规模应用和商业化的关键障碍。在这种情况下，来自生物质的多孔碳作为一种非常有前景的替代品出现，因为它结合了低成本和有利的吸收特性。生物质资源丰富、可再生且对环境友好，其利用被广泛认为是解决能源需求和生态挑战的可持续途径（Zhan等人，2024；Zhang等人，2021）。
电磁隐身性能是战斗飞机战场生存能力的关键指标。当雷达信号照射目标时，部分入射波会被反射回雷达源。通过分析这些反射信号的返回时间和传播方向，可以确定目标的位置。因此，降低雷达可检测性需要最小化目标表面反射的雷达能量。一般来说，较小的雷达截面（RCS）对应于较弱的雷达信号、雷达图像中较小的目标尺寸和更好的隐身效果。人们普遍认为，结构整形技术和微波吸收材料的应用可以有效降低RCS。然而，由于改变现有平台的几何设计往往不切实际，因此使用微波吸收涂层已成为降低RCS的普遍且有效的方法。
在这项工作中，选择废弃的轻木作为制备高效微波吸收剂的生物质前驱体。经过化学活化后，在管式炉中进行碳化处理，成功获得了多孔碳框架。值得注意的是，这种生物质衍生的多孔碳在其微观结构中容纳了多种磁性相，赋予了材料显著的微波衰减能力。优化的吸收剂在仅1.4毫米的厚度下表现出超低的反射损耗-64 dB，其有效吸收带宽覆盖了大部分Ku波段。此外，雷达截面模拟显示了良好的隐身特性，最大RCS降低了33.4 dB·m2，突显了其强大的电磁伪装潜力。因此，这种轻质、超薄、成本低且RCS低的生物质基微波吸收剂在电磁隐身及相关领域具有显著的应用前景。
材料
在这项工作中，选择了初始密度约为0.12 g·cm-3的市售轻木（Ochroma pyramidale）作为多孔碳支架。所有使用的试剂均为分析级，未经额外纯化直接使用。六水合氯化铁（FeCl3·6H2O，99%）和无水醋酸钠（CH3COONa，99.5%）由Aladdin Reagent Co., Ltd.提供。乙二醇（EG，99.5%）和亚氯酸钠（NaClO2，80%）来自Sinopharm Group
微观形态
本文中制备磁性复合材料的工艺如图1a所示。首先，使用轻木作为三维多孔模板。在80°C的水浴中，用亚氯酸钠-醋酸溶液选择性地去除木质素，同时保留了天然纤维素骨架结构。随后，以六水合氯化铁作为铁源，醋酸钠作为沉淀剂，乙二醇作为溶剂，制备了磁铁矿纳米粒子
结论
总结来说，通过一种可扩展且环境友好的工艺，成功地从废弃的轻木中制备了一种轻质且多功能的多孔碳复合材料。生物质模板的天然三维多孔结构得到了有效保留，同时在高温碳化过程中原位生成了多种磁性相。
CRediT作者贡献声明
魏刚张：资源管理、项目统筹。天成远：撰写——初稿、可视化。能力：可视化、验证。永杰宝：监督、软件开发。司琪赵：监督、软件开发。韩江彩：资金获取、正式分析。闵振宝：数据管理、概念构思
未引用的参考文献
Li等人，2025；Wang等人，2025。
资助
作者感谢以下机构的资助支持：国家自然科学基金（项目编号：32301523），浙江省林业科学技术项目（2024SY14），国家竹产业研究院研发项目（2025YJY0401），森林和草业科学技术推广中央财政示范基金（2024TS06）
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
魏刚张报告称获得了浙江A和F大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
