多功能超轻Fe?O?/α-Fe/竹复合材料：用于高性能微波吸收、疏水性和热响应特性

《Environmental Research》：Multifunctional Ultralight Fe 3O 4/α-Fe/Bamboo composites for High-Performance Microwave Absorption, Hydrophobicity, and Heat Response

竹基Fe3O4/α-Fe磁性碳复合材料通过脱 lignin、先驱体浸渍和原位热解制备，MB-800在9.36 GHz实现-71.4 dB反射损耗，有效吸收带宽5.76 GHz，兼具低密度（0.47 g/cm3）、超疏水（117.7°）和快速焦耳热响应（151℃/10s@5V），为绿色可扩展的多功能电磁隐身材料提供新策略。

　　

Minzhen Bao|Hanjiang Cai|Neng Li|Tiancheng Yuan|Weigang Zhang

中国国家林业和草原管理局竹子工程技术研究中心，中国国家竹子研究中心，杭州310012

摘要

开发轻质、可持续且多功能性的电磁波（EMW）吸收材料对于在复杂环境条件下运行的下一代电子设备至关重要。本文通过脱木质化、前驱体浸渍和原位热解工艺制备了一系列超轻量的Fe₃O₄/α-Fe/竹基磁性碳复合材料（MB-600至MB-900）。竹子的层次多孔结构与均匀分布的磁性纳米粒子相结合，实现了优异的阻抗匹配，并增强了介电、磁性和导电损耗的协同效应。在所有样品中，MB-800表现出最显著的微波吸收性能，在9.36 GHz频率下实现了-71.4 dB的最小反射损耗，且匹配厚度仅为1.7 mm，有效吸收带宽为5.76 GHz。仿真结果进一步证实，MB-800在宽角度范围内显著降低了雷达截面积，显示出强大的雷达隐身能力。此外，增加填料含量可以提高电导率，并主要通过吸收作用实现高效的电磁干扰（EMI）屏蔽效果。得益于其高度多孔和石墨化的碳-磁性异质结构，该复合材料还具有低密度（0.47 g/cm³）、出色的疏水性（117.7°）、优异的热安全性能以及快速的焦耳加热响应（在5 V电压下10秒内升温151 °C）。本研究提出了一种绿色且可扩展的策略，用于生产生物质基多功能磁性复合材料，在电磁隐身、EMI屏蔽和热管理应用方面具有广阔前景。

引言

电磁干扰在国防、通信和航空航天系统中的问题日益严重，而5G及即将推出的6G网络预计将加剧低频电磁污染（Jiang, 2024; Wu et al., 2025）。抑制电磁污染的需求不断增加，这凸显了对能够高效吸收和阻挡电磁波的先进材料的需求（Dong et al., 2019; Hu et al., 2019）。此外，通信设备、海上风电设施、飞机和军事系统经常在苛刻的环境条件下运行，因此对微波吸收材料的疏水性和隔热性能提出了更高的要求（H. Jiang et al., 2025b, 2025a）。因此，开发具有多种集成功能的微波吸收剂对于提高先进设备的稳定性和效率至关重要，同时确保它们能够适应复杂且快速变化的服务环境。微波吸收和屏蔽性能从根本上取决于材料的阻抗匹配程度及其固有的电磁衰减能力（Guo et al., 2023; Wu et al., 2022）。像竹子这样的多孔生物材料含有大量内部空气，这降低了密度并改善了阻抗匹配（Wen et al., 2024b, 2024a），使得微波更容易进入吸收剂并提高整体吸收效率（Deng et al., 2025; Zeng et al., 2025; Zhang et al., 2022）。通过在复合材料中加入各种功能性增强剂，通常可以实现高效的电磁吸收和热管理（Cui et al., 2025; H. Liu et al., 2025; Yan et al., 2024）。尽管这些添加剂的较高含量可以提高性能，但过量添加可能会影响加工性能并阻碍实际应用。

最近在多功能电磁吸收剂方面的研究取得了令人鼓舞的成果。例如，Zhong等人通过将多巴胺改性的ZIF-67沉积在氮化硼上，制备出了具有导热性和微波吸收性的填料，得到了BN@ZIF-67@PDA复合材料（Zhong et al., 2024）。该复合材料实现了1.28 GHz的有效吸收带宽，热导率达到了5.37 W m^-1 K^-1。Ghosh的团队将酸改性的碳纳米纤维分散在聚苯乙烯和乙烯-甲基丙烯酸酯基体中，制备出了FCNF/PS/EMA复合材料（Ghosh et al., 2022），其反射损耗为-36.5 dB，热导率为0.86 W m^-1 K^-1。然而，仅依靠单一类型的双功能填料同时实现微波吸收和热传导的增强仍然具有挑战性。构建异质结构是一种有效策略，通过范德华相互作用或共价键将多种功能填料集成在一起。为了满足精密电子设备对电磁波吸收和EMI屏蔽的双重需求，并在恶劣环境中保持性能，仍需进一步开发具有多种集成功能的轻质吸收剂（Ma et al., 2022b; Rong et al., 2025; Zou et al., 2025）。此外，上述研究中所需的材料价格昂贵且制备过程复杂，难以实现工业化生产。关于多界面异质结构的微观设计策略的研究仍然较少（Hu et al., 2025; J. Jiang et al., 2025; Tang et al., 2025）。目前尚不清楚这种结构能够实现优异微波衰减和高热导率的根本机制。化石资源日益稀缺，其过度消耗导致了大量的温室气体排放，加速了全球变暖（Chen et al., 2025c, 2025a; Ma et al., 2022a; W. Wang et al., 2025）。因此，开发可持续的替代品以减少对不可再生资源的依赖变得至关重要。在这种情况下，挑战在于创造一种绿色且经济高效的方法来制备具有优异电磁波吸收性能的磁性碳基复合材料。

生物质作为一种可再生自然资源，越来越受到用于生产增值化学品、功能材料和燃料的关注。在各种策略中，制备基于磁性的复合材料代表了一个有前景的高价值应用（Chen et al., 2025b; Li et al., 2025）。竹子与木材类似，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成（Han et al., 2024; Lou et al., 2021a, 2021b）。适当的木质素去除可以显著增加生物质载体的孔隙率和表面可及性，从而为各种磁性相（如Fe₃O₄、CoFe₂O₄等）提供更多的负载位点和更均匀的分散空间。这种方法通过调节木质素去除程度创新性地优化了载体结构，不仅实现了高容量、多组分磁性纳米粒子的稳定负载，还显著提高了复合材料的磁响应性和可回收性，为多功能磁性生物质复合材料的设计提供了新策略。其衍生的碳具有高度多孔的结构，有助于高效负载无机颗粒并改善电磁波吸收的阻抗匹配。然而，关于基于竹子的磁性碳复合材料在电磁波吸收方面的研究仍然较少。

本研究报道了一种新型的轻质竹基磁性复合材料，通过高效的自组装、干燥和原位热解工艺制备，集成了磁性和介电组分。通过微调热解温度，实现了小孔隙、异质界面、丰富缺陷和增强导电性的最佳组合。这种结构平衡促进了低频范围内介电、磁性和导电损耗的协同作用，同时改善了阻抗匹配。所得的基于竹子的磁性复合材料表现出出色的低频微波吸收性能。增加多种磁性相的负载量进一步提高了气凝胶的导电性，增强了其电磁干扰屏蔽效果。此外，该材料还表现出优异的疏水性和隔热性能，使其能够在复杂和恶劣条件下可靠运行。总体而言，这种多功能竹基复合材料提供了更好的性能、更低的材料成本、更大的灵活性以及更广泛的应用潜力。

材料

本研究中使用的竹子（Phyllostachys edulis）来自中国浙江省安吉县的一个种植园，采伐自三年生的竹秆。竹秆被切割成尺寸约为2厘米×2厘米×0.5厘米的块状。所有化学试剂，包括亚氯酸钠（NaClO₂，工业级，80%）、醋酸（CH₃COOH，AR，99.5%）和九水合硝酸铁（III）（Fe(NO₃)₃·9H₂O，AR，≥98.5%），均从Sigma-Aldrich购买，使用前未进行任何处理。

MB的表征

原位热解后，所有样品均保持了脱木质化竹子的基本结构特征。与图S2所示的脱木质化竹子相比，MBs中的介观和微观通道内表面沉积了大量颗粒。未经处理的木质素碳化样品如图1a所示，可以观察到样品中薄壁细胞的壁厚显著减小。EDS映射结果...

结论

在本研究中，我们通过一种环保的原位热解策略成功制备了一系列基于竹子的超轻磁性碳复合材料。竹子的层次多孔结构与均匀分布的Fe₃O₄/α-Fe纳米粒子共同优化了阻抗匹配，并增强了多种电磁损耗途径，包括界面极化、偶极松弛、自然/交换共振和导电耗散。

CRediT作者贡献声明

Neng Li：软件、资源管理。Hanjiang Cai：项目管理、方法论。Minzhen Bao：撰写——原始草稿、可视化。Weigang Zhang：监督、软件、资源管理。Tiancheng Yuan：可视化、验证

未引用参考文献

Li et al., 2020; Liu et al., 2025; Wang et al., 2025d; Wang et al., 2025e; Xiang et al., 2025; Zhang et al., 2025.

资助

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：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）以及森林和草原科学技术推广中央财政示范基金（2024TS06）的资助支持。

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影响本文所述的工作。