可持续的轻质复合纳米纤维：有效控制电磁污染

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable lightweight composite nanofibers: efficient control of electromagnetic pollution

电磁污染治理通过复合纳米纤维材料设计实现，采用溶液吹塑（SBS）技术制备含SiO?纳米颗粒和Co@BCN纳米管的碳纤维复合结构，优化阻抗匹配与界面极化损耗，在1.8mm厚度下实现-70.3dB反射损耗，5.2GHz有效吸收带宽，兼具环保性和轻量化优势。

　　

苗莉 | 刘梦香 | 孔志涵 | 吴琼 | 刘宇琪 | 韩莎 | 张涛 | 黄晓晓

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

电磁污染构成了一个新兴的环境和健康威胁，其严重性正在推动人们寻找可持续且高效的缓解技术。本研究通过设计复合纳米纤维，提出了一种环保且可扩展的解决方案，以有效控制电磁污染。利用节能且工业适用性强的溶液喷雾纺丝（SBS）技术，我们成功地在碳纤维中构建了三维多孔网络，其中整合了SiO₂纳米颗粒和原位热解的Co@BCN纳米管。该设计不仅利用SiO₂作为介电调节剂来优化阻抗匹配，还与碳基体和Co@BCN纳米管形成了丰富的异质界面，显著增强了界面极化损耗。最佳材料的反射损耗（RL_min）在1.8毫米厚度时达到-70.3分贝，有效吸收带宽（EAB）在2.3毫米厚度时达到5.2吉赫，显著减少了材料使用量并促进了轻量化设计。研究表明，高性能和环境可持续性可以协同实现，为开发符合可持续工业发展目标的下一代绿色电磁防护材料提供了新途径。

引言

电子设备的普及和第五代（5G）网络的全面部署导致了电磁辐射的前所未有的增加，现在电磁辐射被认为是一种可能对生态系统平衡和公共健康构成风险的环境污染（Lv等人，2022；Peng等人，2025；Sharma等人，2024；Wang等人，2025等）。在这种背景下，开发高性能的电磁波（EMW）吸收材料已成为解决电磁兼容性问题并推进隐身保护和污染缓解环境可持续性的关键任务（Cao等人，2019；Qin等人，2022；Zhang等人，2025）。理想的吸波材料必须满足两个核心标准：强吸收（最小反射损耗（RL_min）< -50分贝）和宽带宽（有效吸收带宽（EAB，EAB >5吉赫），并且在尽可能薄的厚度下实现。实现这一目标的关键在于如何平衡阻抗匹配和衰减，这两个因素通常会相互制约（Cai等人，2024；Su等人，2024）。良好的阻抗匹配是电磁波能够有效进入材料内部而不是被表面反射的前提（Cao等人，2022；Dong等人，2025；Shu等人，2025，2025）。强大的衰减能力决定了材料将电磁能量转化为热能或其他形式能量的效率。

目前主流的吸波材料（基于碳的材料和磁性掺杂系统）存在许多不可调和的缺陷。例如，由于碳材料具有低密度、高导电性和可调的介电特性，因此被广泛研究（Peng等人，2025；Zhang等人，2024，2024；Zhong等人，2024）。然而，它们的单一介电损耗机制主要由导电损耗主导，这往往导致复介电常数的虚部过大，从而导致绝大多数电磁波在材料表面被反射（Pan等人，2022，2022）。为了弥补磁损耗的不足，研究人员经常加入磁性成分（如钴或铁氧体）（He等人，2025；Jia等人，2021；Mei等人，2025；Qu等人，2024；Wang等人，2025）。然而，这些磁性成分由于高表面能容易在碳基体内聚集，不仅破坏了材料的轻量化优势，还导致局部电磁参数不均匀，进一步降低了其阻抗匹配（Cai等人，2024；He等人，2020；Lou等人，2025）。吸波器的最终目标是通过电阻损耗和松弛损耗将入射的电磁能量高效地转化为热能。最近的研究强调了通过精确的界面工程管理这种能量积累和耗散的关键作用（Wang等人，2025；Wang等人，2025）。具体来说，高频下占主导地位的偶极极化与低频下占主导地位的导电损耗之间的平衡决定了整体衰减效率（Pan等人，2026）。为此，控制介电特性以匹配自由空间的阻抗至关重要，这通常是通过构建异质结构来实现的。因此，本研究的挑战在于突破性能瓶颈，创造一种新的绿色材料，既能协同增强介电和磁损耗，又能保持低能耗、低毒性和可回收性。

为了解决这些瓶颈，研究人员将注意力转向了硼-碳-氮（BCN）异质结构，这种结构具有可调的电子结构和高的极化活性（Cao等人，2021；Tian等人，2022）。通过其独特的B?N和C?B键，BCN异质结构为增强界面极化损耗提供了新的途径（Li等人，2025；Lin等人，2023）。然而，将BCN与磁性成分和介电修饰剂（如SiO₂）精确整合以构建协同的介电-磁多损耗通道仍然是一个挑战（Hao等人，2025；Li等人，2022，2022）。设计具有纤维形态的吸波材料是实现多种成分有序整合和性能优化的理想策略。与粉末或块状材料相比，纤维作为整合多尺度功能和吸收特性的理想介质，具有不可替代的优势（Chen等人，2025；Jia等人，2026；Shu等人，2025）。纤维具有高比表面积，最大化了异质界面的数量，为界面极化提供了丰富的位点（Zhao等人，2025，Zhao等人，2025）。连续纤维可以自然构建三维导电网络，确保高效的导电损耗（Kenry和Lim，2017）。自支撑特性避免了非功能性粘合剂对电磁参数的干扰，更符合航空航天领域的轻量化要求。然而，实现这一策略的瓶颈在于制备技术。目前，基于纤维的吸波材料的主要制备方法是传统的静电纺丝。然而，这种方法存在固有的缺点，如制备效率低、依赖高压电场以及纤维直径均匀性差（Li等人，2024；Zhang等人，2022a，Zhang等人，2022b）。传统的静电纺丝过程受限于低质量产量（0.01-0.1克/小时），其特定能耗通常约为0.06-0.15千瓦时/克（Fang等人，2017）。相比之下，由高速气流驱动的SBS工艺可以将产量提高30到50倍，这意味着节能超过90%，使SBS成为一种可持续的生产路线（Li等人，2022）。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种可持续的材料设计策略，并采用了溶液喷雾纺丝（SBS），这是一种节能且可扩展的制造技术，避免了传统静电纺丝所需的高压和低产量问题。碳材料的阻抗不匹配、磁性成分容易聚集以及制备技术的限制等问题都得到了解决。SBS技术利用高速气流拉伸聚合物溶液，结合了静电纺丝在精确控制纤维形态方面的优势，以及高产量和易于工业生产的潜力（Kenry和Lim，2017；Li等人，2022）。本研究成功设计并合成了SiO₂纳米颗粒和Co@BCN纳米管改性的碳复合纳米纤维（Si?Co@BCN?CF）。具体来说，在分子/纳米尺度上，通过前驱体热解原位合成了Co@BCN纳米管，将磁损耗中心与介电极化单元整合为一个整体。在中观尺度上，引入了SiO₂纳米颗粒作为介电修饰剂，使其与Co@BCN纳米管和碳基底复合。这种方法通过建立丰富的异质界面，协同优化了阻抗匹配和极化损耗。最后，通过SBS和碳化在宏观尺度上构建了一个自支撑的三维连续纤维网络。得益于这种协同设计，所得到的Si?Co@BCN?CF复合纳米纤维表现出出色的EMW吸收性能。最佳样品在1.8毫米的匹配厚度下实现了-70.3分贝的最小反射损耗（RL_min），在2.3毫米的厚度下实现了5.2吉赫的最大有效吸收带宽（EAB_max）。电磁分析和模拟结果表明，其优异的性能是由于引入SiO₂优化了阻抗匹配的协同效应。它结合了Co纳米颗粒提供的磁损耗和多级异质界面诱导的强界面极化效应。这项工作为高性能EMW吸收材料的制备建立了一个绿色且可扩展的范例，为对抗电磁污染提供了积极的解决方案。

材料部分

尿素（AR，≥99.0%）、硼酸（AR，≥99.5%）和二甲基甲酰胺（DMF）从上海麦克莱恩生化技术有限公司购买。聚乙二醇（PEG-2000）、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O（AR，98%）、纳米二氧化硅（SiO₂，99.5%，30纳米）、石蜡和聚丙烯腈（PAN，分子量150,000）从上海阿拉丁生化技术有限公司购买。所有化学试剂均直接使用，无需进一步纯化。

Co@BCN纳米管的合成

Co@BCN纳米管的合成

结果与讨论

图1a展示了通过溶液喷雾纺丝（SBS）环境友好且可扩展地合成Si?Co@BCN?CF复合纳米纤维的过程，与传统方法相比，该技术具有更低的能耗和更高的生产效率。这种设计能够在多个尺度上实现精确的结构控制，对环境的影响最小。首先，在室温下溶解硼酸、尿素、PEG和Co(NO₃)₂·6H₂O以形成前驱体溶液

结论

本研究通过跨尺度协作设计策略和可扩展的SBS制备工艺，成功制备了具有优异EMW吸收性能的Si?Co@BCN?CF复合纳米纤维，从而实现了高效电磁污染缓解的目标。这种材料的核心优势在于其巧妙的多组分整合和结构设计。在纳米尺度上，一维中空的Co@BCN纳米管作为多功能单元

CRediT作者贡献声明

苗莉：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念化。刘梦香：方法论、形式分析。孔志涵：可视化、数据管理。吴琼：可视化。刘宇琪：方法论。韩莎：研究。张涛：资源、研究、资金获取、概念化。黄晓晓：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益，所有数据均可无限制地使用。