超轻核壳结构聚吡咯@细菌纤维素气凝胶：用于宽频电磁波吸收与高效隔热

核心-壳复合气凝胶材料通过3D多孔细菌纤维素骨架与表面原位聚吡咯修饰实现电磁波吸收与热绝缘协同增效，在9.68-16.32GHz频段获得-48.55dB最小反射损耗及5.4℃温降效果。

　　

赵龙|蔡浩翔|钱永新|徐学飞|邢文辉|江一飞|万庚平|王桂珍

中国海南省海口市海南大学材料科学与工程学院，热带海洋工程材料与材料评价国家重点实验室，电磁防护材料与光谱创新技术研究所，570228

摘要

高功率电子设备和可穿戴系统的快速发展使它们面临复杂的电磁和热应力。外部电磁干扰（EMI）和环境中的热量会导致表面显著升温，这种复合效应会加速材料老化和性能下降，从而影响设备的长期可靠性和安全性。为应对这一双重挑战，本研究开发了一种超轻量的核壳复合气凝胶材料。该材料是通过基于细菌纤维素气凝胶（BCA）构建三维（3D）多孔支架，并在其表面原位聚合聚吡咯（PPy）来形成的，从而形成均匀的核壳结构。这种核壳结构有助于优化导电网络并增强介电损耗机制。该设计使得材料在6.80 GHz时的最小反射损耗（RL_min）为-48.55 dB，有效吸收带宽（EAB）为6.64 GHz，覆盖9.68至16.32 GHz的频率范围。此外，其高度多孔的结构形成了连续的空气屏障和热阻路径，实现了约5.4°C的隔热效果（通过红外热成像验证）。这项工作提出了一种兼具电磁波吸收（EWA）和隔热功能的协同设计，为制造轻量化、高性能的保护材料提供了可扩展的策略。

引言

随着高功率电子设备、雷达系统和智能可穿戴技术的广泛应用，电子系统越来越容易受到外部电磁干扰（EMI）的影响，并且经常需要在高温环境中运行（Wu等人，2022；Zhao等人，2025）。EMI可能导致信号失真、通信中断和性能下降。同时，外部热负荷会提高设备内部温度，从而影响操作稳定性和用户舒适度（Han等人，2023；Wan等人，2021）。因此，开发结合高效电磁波吸收（EWA）和隔热性能的轻量化多功能材料对于确保电子系统在复杂环境中的安全和可靠性具有重要意义（Gu等人，2022；Wu等人，2023）。 目前，结合电磁波吸收（EWA）和隔热性能的集成多功能材料主要包括无机填料复合材料（如Fe₃O₄和SiC）、碳材料系统（如石墨烯和碳纳米管）以及导电聚合物系统（如聚吡咯（PPy）和聚苯胺）（Chen等人，2025；Chen等人，2025）。无机填料复合材料可以通过磁损耗和介电损耗的协同效应实现高效的EWA。然而，它们具有较高的密度，难以满足轻量化的要求。同时，这些材料还具有较高的固有热导率，因此通常需要使用低热导率的基体。这容易导致阻抗不匹配问题。碳材料系统具有优异的介电损耗和电磁响应特性，但固有热导率过高，阻碍了隔热性能的构建。此外，这些材料容易聚集，导致与基体界面的兼容性差，难以形成均匀的结构。这些问题在集成EWA和隔热设计中带来了显著的限制（Liu等人，2025；Liu等人，2025）。导电聚合物PPy由于其可调的介电性能、易于结构修饰和较低的固有热导率，在EWA和隔热方面展现出巨大潜力（Huang等人，2015；Shi等人，2021）。通过调整聚合条件或引入掺杂剂（如Cl^?、SDBS），可以有效调节PPy的极化行为，从而实现优异的EWA性能（Debiemme-Chouvy等人，2018）。然而，当前的研究主要集中在致密、低孔隙率的PPy薄膜上，这些薄膜在轻量化和隔热应用方面存在固有的局限性（Chavoshizadeh等人，2020；Raghunathan等人，2017）。为了实现轻量化特性，研究人员将PPy与三维（3D）轻质基底（如石墨烯气凝胶和聚合物泡沫）结合使用（Su等人，2025；Tian等人，2025；Wang等人，2025；Wang、Xiao和He，2025）。相关研究证实，构建多孔结构可以有效提高材料的EWA性能并赋予其一定的隔热潜力。PPy/石墨烯气凝胶具有较高的比表面积和优异的导电性，在EWA领域表现出色，但实现轻量化和高导电性的有效平衡较为困难。虽然聚合物泡沫材料具有轻量化的优势，但制造工艺复杂、成本高且电导率相对较低，导致高频EWA性能不足。相比之下，细菌纤维素气凝胶（BCA）利用了细菌纤维素（BC）的固有优势，如高长径比、广泛的可用性和低密度，提供了丰富的多孔结构和相互连接的传输通道，便于在表面和孔隙内均匀聚合PPy（Chen等人，2025；Chen等人，2025；Qin等人，2025；Xu等人，2025；Xu等人，2025）。一方面，气凝胶的高孔隙率优化了阻抗匹配特性，使更多的入射电磁波（EMWs）进入材料内部，并通过多次反射、散射和界面极化实现高效的电磁能量耗散（Liu等人，2024；Wu等人，2023；Wu等人，2023；Wu等人，2025）。另一方面，BCA的三维多孔结构有效缩短了固相热传导路径，捕获了大量静止空气，显著降低了材料的整体热导率，从而实现了隔热效果（Meng等人，2025）。同时，BCA的独特生物降解性和可持续性为开发下一代环保多功能复合材料提供了新的思路。 在这项工作中，我们假设细菌纤维素气凝胶（BCA）可以作为可持续碳水化合物衍生基体的结构模板，指导PPy的原位均匀聚合，形成核壳结构的聚吡咯@细菌纤维素气凝胶（PPy@BCA）复合气凝胶。这种设计协同整合了优化的阻抗匹配、连续的导电路径和多尺度界面极化，能够在低填料负载下实现高效的EWA，同时其相互连接的多孔结构提供了隔热效果。与传统基于无机/非碳水化合物基体的策略不同，我们的集成设计同时优化了EMW衰减和热管理，为多功能电子材料提供了一种新的方法。通过制备超轻量BCA框架并随后进行原位PPy聚合，获得了这些复合材料。这些复合材料表现出最小的反射损耗（RL_min为-48.55 dB，有效吸收带宽（EAB）为6.64 GHz（9.68–16.32 GHz），并且表面温度比相同厚度的商业绝缘材料低约5.4°C（通过热板测试验证）。这些发现证实了我们的假设，表明轻量化的多功能PPy@BCA复合材料为集成电磁保护和热管理系统提供了一种有前景的策略。

材料

细菌纤维素（BC）培养基来自海南益德食品有限公司。椰子水来自海南种植的新鲜椰子。所选用的醋酸杆菌（Acetobacter xylinum）为内部自备。NaOH（分析级）购自天津富辰试剂厂。三氯化铁（FeCl₃）购自上海麦克林生化有限公司。对甲苯磺酸（TsOH）购自山东喜雅化学科技有限公司。聚吡咯（PPy）购自上海谊恩化学科技有限公司。

表征

扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析使用Thermo Scientific Verios G4 UC显微镜进行。

冻干的x-PPy@BCA被切成小块以供后续使用。然后，使用导电胶带将切好的x-PPy@BCA固定在样品台上，以确保良好的电导率。为了抑制样品表面的充电效应并提高成像质量，x-PPy@BCA进行了金溅射预处理。最后，进行了清晰的...

PPy@BCA的结构和形态

图1a展示了PPy@BCA的制备过程。首先，通过冻干BC获得BCA（Zhang等人，2023）。在此过程中，BCA作为生物模板，FeCl₃·6H₂O作为氧化催化剂，TsOH作为PPy原位氧化聚合的掺杂剂。随着反应的进行，PPy@BCA悬浮液的颜色逐渐从透明变为黄棕色，最终变为黑色。这种颜色变化表明形成了氢键...

结论

本研究专注于通过冻干和原位聚合制备具有优异EWA性能的轻量化PPy@BCA。这些气凝胶具有核壳结构，核心为相互连接的多孔BC网络，壳层为导电聚合物PPy。PPy@BCA的多孔结构使EMWs在通道内发生多次反射和散射。PPy壳层作为导电成分，增强了电损耗...

CRediT作者贡献声明

赵龙：撰写——原始草稿，数据整理，概念构思。 蔡浩翔：方法学，研究。 钱永新：撰写——审阅与编辑，软件，研究。 徐学飞：方法学，研究。 邢文辉：软件，方法学。 江一飞：验证。 万庚平：可视化，项目管理。 王桂珍：撰写——审阅与编辑，资金获取，正式分析。

未引用的参考文献

Bi等人，2022 Tian等人，2024 Wang等人，2022

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22278101、U24A20204、52502236和52503339）、海南省科技创新人才项目（项目编号KJRC2023C08）、海南省自然科学基金创新团队项目（项目编号525CXTD607）以及海南省财政科技项目（项目编号ZDYF2020009）的支持。