一种新型的三维层次多孔骨架结构碳泡沫，具备高效的电磁波吸收和热管理性能

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：A novel three-dimensional hierarchically porous skeleton-structured carbon foam enabling efficient electromagnetic wave absorption and thermal management capability

本研究通过制备双尺度孔碳泡沫并经KOH活化，成功开发出具有3D内部-外部相互连接的多孔骨骼结构碳泡沫（PSCF）。该材料在电磁波吸收方面表现出优异性能，反射损耗最低达-47.16dB，有效吸收带宽3.61GHz，同时具有低密度（0.1611g/cm3）、高热导率（0.6511W/m·K）和良好机械强度（1.87MPa），为多功能碳材料设计提供了新思路。

　　

崔文琪|吴家军|梁久明|张夏兰|林启朗

福州大学材料科学与工程学院，中国福建省福州市350116

摘要

随着电子设备的小型化、集成化和多功能化，开发同时具备电磁波（EMW）吸收和热管理能力的材料变得至关重要。基于碳的材料在EMW吸收和热管理方面受到了越来越多的关注。然而，它们的单一损耗能力和趋肤效应严重限制了EMW吸收特性。构建分层多孔结构有望在不引入第二相的情况下提高EMW吸收性能。在此，我们通过首先制备双尺度孔隙碳泡沫（DCF），然后进行KOH活化，开发出一种新型的3D内外互联的分层多孔骨架结构碳泡沫（PSCF）。所制备的PSCF的独特结构促进了EMW的多级多次散射，丰富的孔隙和缺陷进一步增强了介电损耗。因此，PSCF表现出优异的EMW吸收性能，其最佳反射损耗（RL_min）为-47.16 dB，有效吸收带宽（EAB）为3.61 GHz。此外，它的体积密度为0.1611 g/cm³，机械强度为1.87 MPa，并且具有良好的热管理能力，热导率为0.6511 W/(m·K)。|RL_min|/体积密度的比值为292.74 dB·cm³/g。总体而言，这项工作为设计兼具EMW吸收和热管理能力的多功能碳材料提供了新的见解。

引言

随着无线通信、雷达检测和高功率电子设备的快速发展，电磁（EM）辐射问题日益严重[1],[2]。这种电磁污染影响了精密电子设备的稳定运行[3],[4]。同时，电子元件趋向于小型化和集成化，功率密度的增加容易导致局部过热，从而导致性能下降[5],[6]。因此，开发同时具备电磁波（EMW）吸收和热管理能力的功能性材料对于确保电子设备的稳定运行至关重要[7]。在当前设备小型化的趋势下，在有限的空间内集成EMW吸收和高效热管理是一个关键挑战[8]。基于碳的材料具有出色的化学稳定性、低密度和优异的加工性，在复杂的操作环境中表现出增强的性能和广泛的应用前景，特别是在需要EMW吸收和热管理的集成结构中[9],[10],[11]。

在基于碳的材料中，碳泡沫（CF）在电磁波吸收和热管理方面表现出显著的优势，这归功于其3D多孔框架、可调的导电性、优异的机械强度和环境稳定性[12],[13],[14]。普遍认为，材料的优异EMW吸收性能主要来源于导电损耗、缺陷和偶极极化以及多次散射机制[15],[16],[17]。尽管碳泡沫具有上述多种优势，但其有限的缺陷和官能团使得导电损耗占主导地位，导致单一损耗机制和阻抗不匹配[18],[19]。为了解决这个问题，目前关于优化基于CF的吸收体的研究主要集中在将纳米颗粒加载到碳框架上或构建多组分复合系统[20],[21]。例如，Zhou等人合成了一种多组分Co/CNT/CF材料，该材料具有多维异质性和三维网络结构，有效延长了EMW的传播路径。同时，其多孔框架、异质界面和介电/磁协同效应优化了阻抗匹配和极化效应，从而显著增强了EMW的耗散[7]。Deng等人通过水热反应和退火工艺制备了MnO₂/CF复合材料。MnO₂的加入为CF提供了丰富的碳缺陷、氧空位和晶格缺陷，这些缺陷改善了极化损耗，降低了导电损耗，并优化了阻抗匹配，从而增强了EMW吸收[22]。然而，这些方法不仅制备过程复杂且成本高昂，而且往往掩盖了碳框架本身对EMW吸收的固有贡献。

通过微结构设计，如核壳结构[23]、中空结构[24]和多孔结构[25]，可以实现降低材料密度和优化介电参数的双重目标[26]。这种方法还可以促进电磁波的多次反射和散射，同时增强能量耗散[27]。近年来，采用了各种结构调节策略来优化基于碳的吸收材料的性能。例如，Zhan等人通过冷冻干燥和碳化工艺成功制备了具有独特孔结构的蜂窝状碳泡沫（CCFs）。结果表明，热处理温度和g-C₃N₄含量显著影响了CCFs的孔径和形态。得益于其独特的蜂窝结构，制备的CCF样品同时表现出强烈的吸收性能、宽的吸收带宽和薄的匹配厚度[13]。Guo等人通过冷冻-解冻处理和退火处理制备了rGO/Fe/CNC气凝胶。通过调整CNC含量，他们控制了气凝胶的孔结构。优化的rGO/Fe/CNC气凝胶既具有轻质特性，又具有EMW吸收特性。在仅0.8 wt%的极低填充比率下，其有效吸收带宽达到了7.9 GHz，反射损耗为-43.5 dB[28]。因此，孔结构[22]、缺陷密度[29]和石墨化程度[30]等因素显著影响了碳材料的损耗机制。通过结构设计系统地研究碳基体的微结构与其介电性能之间的相关性，对于阐明吸收机制和实现基于碳的吸收体的性能优化至关重要。然而，目前关于碳基体微结构设计的研究仍然相对有限。

化学活化是一种常用的方法，用于优化碳泡沫的微结构，该方法操作简单且不会引入第二相。然而，传统的碳泡沫通常具有光滑且致密的骨架，具有一定脆性[31]，导致活化不足或结构断裂，从而使得EMW吸收性能较差。在这项工作中，通过环氧树脂/MgO复合材料的真空热解制备了双尺度孔隙碳泡沫（DCF）。双尺度孔隙结构不仅提高了DCF的孔隙率，还赋予了其韧性，同时保持了其高机械强度，有效解决了传统活化CF由于内部应力过大而导致的脆性断裂问题。此外，DCF随后使用氢氧化钾（KOH）进行了活化。KOH活化的DCF（PSCF）具有3D互联的分层多孔骨架。这种独特结构促进了入射EMW的多级多次散射。此外，KOH活化产生了丰富的孔隙，降低了有效介电常数并优化了阻抗匹配，同时创造了异质界面和缺陷位点作为极化中心，使吸收体具有丰富的极化性能，从而实现了阻抗匹配和衰减能力的同步优化，而不是传统碳泡沫吸收体中的折中。此外，3D内外互联的框架促进了高效的电子传输和导电损耗，同时实现了快速的热传递，从而有效散热。最后，这种分层多孔结构赋予了碳泡沫优异的机械性能，同时保持了轻质特性。这种方法为设计兼具EMW吸收和热管理能力的多功能碳材料提供了新的见解。

材料

环氧树脂（E-51）购自南通兴晨材料有限公司。双马来酰亚胺二苯甲烷（BMDM）和4,4'-二氨基二苯甲烷（DDM）购自凤光化工有限公司。氢氧化钾（KOH）和二氯甲烷（CH₂Cl₂）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。纳米MgO分散液（浓度：20 wt%），粒径为300 nm，购自黄州恒南新材料有限公司。所有试剂均为分析级。

形态与结构

DCF的SEM图像见图S1(a-c)。DCF的孔径相对均匀，约为200 μm。此外，孔壁有一定的凸起，骨架断裂显示存在大量的亚微米级孔隙（大约300 nm），这归因于碳热反应过程中纳米MgO的去除[12]。这些观察结果证实了DCF的双尺度孔隙结构。图2(a–h)显示了不同PSCF样品的SEM图像。

结论

总结来说，通过首先制备双尺度孔隙碳泡沫，然后进行KOH活化，开发出了一种3D内外互联的分层多孔碳泡沫（PSCF），实现了电磁波吸收（EWA）和热管理的同步控制。PSCF独特的分层多孔结构促进了入射电磁波在孔壁之间的多级多次散射和反射，延长了传输路径。多级效应的协同作用

CRediT作者贡献声明

崔文琪：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、数据分析。吴家军：实验研究、数据分析。梁久明：实验研究、数据分析。张夏兰：实验研究、数据分析。林启朗：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：51872049）和福建省自然科学基金（项目编号：2025J01469）的支持。