徐卫林院士&陈凤翔等综述：无机高性能纤维基电磁屏蔽材料—从界面调控到多功能集成

Inorganic High-Performance Fiber-Based Materials for Electromagnetic Interference Shielding: Fundamentals, Fabrications, and Emerging Applications

Sijie Qiao, Zhicheng Shi, Aixin Tong, Zhiyu Huang, Annan He, Binhao Wang, Jun He, Jiaxin Wang, Ming Chen, Zixi Huang, Linhui Hao, Bing Wu, Yan Jun, Ya-Lan Tan, Pibo Ma, Weilin Xu & Fengxiang Chen

Nano-Micro Letters (2026)18: 229

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02053-z

本文亮点

1. “干湿”并用，活化界面：系统剖析了无机高性能纤维普遍存在的表面惰性问题，并全面综述了“干法”与“湿法”两大类表面活化改性策略，旨在提升纤维与功能层及树脂基体的界面结合力，为构建耐久性屏蔽涂层奠定基础。

2. 多法并举，构筑功能：详细归纳了在纤维表面构筑电磁屏蔽功能层的多种制备策略，包括物理沉积、化学处理及其他新兴技术。深入探讨了不同方法如何通过调控材料的微观结构与电磁参数，实现从“反射为主”到“吸收为主”的屏蔽机制转变。

3. 应用导向，展望未来：总结了功能化无机高性能纤维在电磁屏蔽纺织品、吸波隐身及精密设备防护等领域的应用进展。同时，直面规模化应用、多功能协同、环境稳定性及绿色可持续发展等挑战，为下一代高性能电磁屏蔽复合材料的设计指明了方向。

研究背景

随着无线通信、雷达探测及大功率电子设备的飞速发展，电磁干扰和电磁辐射污染已成为亟待解决的关键问题。它不仅影响精密设备的稳定运行，还可能危及信息安全和人体健康。尤其在航空航天、国防军工等极端环境中，对兼具轻质、高强、耐候及高效电磁屏蔽性能的材料提出了迫切需求。传统的金属屏蔽材料虽性能优异，但其密度大、易腐蚀、柔性差等固有缺陷，难以满足现代高端装备对“结构-功能一体化”的严苛要求。无机高性能纤维(IHPFs)，如碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维及碳化硅纤维等，凭借其轻质、高比强度、高模量及出色的化学稳定性，成为构建下一代轻质、耐用型电磁屏蔽材料的理想基材。然而，除金属纤维外，大多数IHPFs表面呈现化学惰性且光滑，导致其与功能涂层或树脂基体的界面结合力弱，这严重制约了复合材料的长期服役可靠性与综合性能，是该领域迈向实用化亟待突破的核心瓶颈。

内容简介

针对IHPFs在电磁屏蔽应用中界面结合差、功能层易失效的共性难题，武汉纺织大学徐卫林院士团队发表综述，系统梳理了该领域的最新研究进展。文章跳出单一性能优化的局限，从“界面调控”与“功能构筑”双维度出发，提出了一套解决纤维表面惰性并实现高效电磁屏蔽的综合策略。文章首先阐明了电磁屏蔽的机理与评价标准；随后，深入分析了纤维表面惰性的本质，并详细介绍了“干法”与“湿法”两大类表面活化技术。在此基础上，文章重点综述了物理沉积、化学处理及新兴界面技术在纤维表面构筑导电/磁性功能层的原理与工艺，探讨了如何通过微观结构设计来协同优化反射与吸收损耗。该综述不仅为IHPFs的表面工程提供了系统的理论指导，也为其在极端环境下的多功能化应用描绘了发展蓝图。

图文导读

I 研究背景

随着无线通信与雷达技术的飞速发展，电磁干扰与辐射污染日益严重，威胁设备运行与信息安全，尤其在航空航天等极端环境下更为严峻。传统金属屏蔽材料虽性能优异，但密度高、易腐蚀、难以加工，难以满足现代装备轻量化、柔性化的需求。IHPFs凭借其轻质、高强及耐热性，成为理想的电磁屏蔽基材。然而，除碳纤维外，多数纤维属绝缘体，且表面化学惰性、光滑，导致功能涂层易脱落，成为制约其应用的关键瓶颈(如图1所示)。

图1. 用于电磁干扰屏蔽的IHPFs材料及出版物数量和引用次数。

II 电磁屏蔽机理

纤维实现电磁屏蔽通常有两种途径：一是在纤维表面沉积导电或磁性层；二是通过织物结构设计改变电磁波传输路径，提升屏蔽效果(图2)。

图2. 电磁屏蔽机理。a 传输线理论。b 从纤维表面改性到织物编织结构设计。

III IHPFs材料的共性问题及表面改性策略

3.1 共性问题

无机高性能纤维高度稳定的化学结构和光滑的物理形态导致固有的表面惰性，表现为极低的表面能和匮乏的反应活性位点。这使得纤维与功能涂层的界面相容性和结合力极差，在应力或热循环下功能层易粉化、脱落，导致电磁屏蔽网络破坏、性能急剧衰减。因此，通过有效表面活化策略克服这一共性瓶颈，是构建高性能、高可靠性纤维基电磁屏蔽材料的先决条件。

3.2 “干法”改性策略

如图3所示，干法处理指纤维表面不与液态介质直接接触，反应发生在气相或真空环境。等离子体处理利用高能活性粒子轰击纤维表面，引入极性基团并产生刻蚀，可显著提升界面剪切强度。臭氧处理利用臭氧的强氧化性室温下在纤维表面引入含氧官能团并轻微刻蚀。热处理通过调控气氛与温度改变表面化学状态，但需严格控制温度避免纤维本体降解。化学气相沉积可在纤维表面原位生长功能涂层。干法改性效率高、环境友好，但部分方法设备成本高或损伤纤维。

图3. 用于IHPFs惰性表面的“干法”表面改性方法。

3.3 “湿法”改性策略

如图4所示，湿法处理在液态介质中进行，依靠化学反应改变纤维表面性质。液相氧化利用强酸或强氧化剂溶液引入极性官能团并刻蚀表面，实现官能团引入。电化学氧化通过外加电场驱动电解液中的离子在纤维表面发生电化学反应，均匀引入含氧官能团并构建纳米粗糙结构。表面施胶是在纤维表面涂覆含成膜剂、偶联剂等的薄层聚合物，既可保护纤维又可作为桥梁增强界面结合。化学接枝通过共价键将功能分子或纳米材料键合到纤维表面，具有设计性强、条件温和、损伤小等优点。湿法改性效果显著、可控性强，但可能涉及废液处理问题。

图4. 用于IHPFs无机表面的“湿法”化学改性方法。

IV 电磁干扰屏蔽IHPFs的制备策略

IHPFs经表面活化引入活性位点后，如何通过精密功能化策略赋予其高效电磁屏蔽能力成为研究核心。关键在于构建连续导电网络以增强反射损耗，并引入磁/介电损耗基元(图5)促进电磁波吸收。本章系统综述各类策略的原理与工艺，探讨如何调控材料电磁参数与微观结构，以实现从“反射主导”到“吸收主导”的可定制化电磁防护功能。

图5. 构建电磁屏蔽功能层所用的导电材料。

4.1 物理沉积策略

物理沉积法通过气相或液相前驱体在纤维表面的物理附着与成膜实现功能化，具有工艺相对简单、对纤维本体损伤小、易于规模化等优势。喷雾干燥法成本低、操作简便，适合在柔性基板及大规模生产中应用。真空沉积技术在真空环境下将蒸发或溅射材料沉积于纤维表面，可获得高纯度、高致密性涂层。物理沉积方法可通过调控沉积参数优化涂层性能，为开发轻量化、高性能柔性电磁屏蔽材料提供了重要技术途径。

图6. 物理沉积方法：喷雾干燥和真空沉积，被用于制造电磁干扰屏蔽功能层。

4.2 化学沉积策略

化学处理方法通过化学反应在纤维表面构筑功能性涂层，具有结合力强、成膜连续性好及可实现多尺度界面调控的优势。典型方法包括化学镀、电镀、原位聚合、化学气相沉积及退火处理等，能够在纤维表面引入高导电或磁性功能层，并通过调节反应条件实现对涂层微观结构和界面结合力的有效调控。

化学镀通过自催化还原在纤维表面均匀沉积金属层，涂层厚度可控，结合力强，显著提升电导率与屏蔽性能。电镀利用外加电场快速沉积高致密金属涂层，可控性好，适合大面积连续化处理。通过调节参数可优化附着力与微观结构，构筑特殊形貌增强纤维互锁，提升导电性与屏蔽效能。

图7. 化学镀和电镀方法制备电磁屏蔽功能层。

原位聚合是在纤维表面直接引发单体聚合形成导电聚合物涂层的方法。导电聚合物兼具轻质、柔韧和良好可加工性，通过调控聚合条件可控制涂层厚度与导电性。该方法可构建核壳结构复合材料，通过导电聚合物与磁性颗粒的协同作用，显著优化阻抗匹配与衰减能力，实现优异的电磁波吸收性能和结构稳定性。

图8. 原位生长制备电磁屏蔽功能层。

化学气相沉积利用气相前驱体在高温下分解沉积，可形成结构致密、厚度均匀且与基体结合紧密的无机涂层，在提升纤维热稳定性、耐腐蚀性和屏蔽性能方面表现突出。

图9. 化学气相沉积法制备电磁屏蔽功能层。

退火处理通常作为化学沉积后的后续工艺，用于改善涂层结构与性能。高温下晶粒长大、缺陷减少，可提高涂层致密性和导电性，增强涂层与基体结合力，降低界面应力。

图10. 热处理方法制造电磁屏蔽功能层。

4.3 其他技术

原子层沉积利用原子级精度的逐层自限制反应，可在纤维表面构筑均匀、超薄、附着力极强的保形涂层，实现纤维表面多功能化，赋予材料优异的电磁屏蔽效能和光学伪装特性。激光刻蚀可在纤维表面直接构筑微纳结构，快速、非接触式地构建导电网络，增加界面粗糙度并调控电磁波多重反射路径，同时实现屏蔽性能提升与损伤可视化检测。浸渍涂覆工艺简便、成本低、适合大面积连续化处理，可在保持织物柔韧性的同时赋予优异导电性和屏蔽性能，仍具重要应用潜力。

图11. 其他方法制备电磁屏蔽功能层。

V  电磁屏蔽IHPFs的应用

随着表面惰性解决策略与功能涂层制备技术的日益成熟，基于IHPFs的电磁屏蔽材料正从实验室走向实际应用。其在电磁屏蔽织物、吸波隐身、精密设备防护及特种电缆等关键领域展现出广阔前景。电磁屏蔽织物通过在纤维表面沉积导电或磁性材料，可在保持织物柔软性与透气性的同时显著提升屏蔽效能，适用于制备防护服、屏蔽帘布等产品。吸波隐身材料通过与磁性颗粒或介电材料复合，将电磁波能量转化为热能消耗，实现宽频带吸收与雷达隐身，兼顾结构承载与电磁功能。在航空航天及高端电子装备中，利用纤维增强复合材料构筑的屏蔽层可有效隔绝电磁干扰，其优异的热稳定性和耐腐蚀性保障了精密仪器在极端环境下的稳定运行。电磁屏蔽电缆及套管则依托纤维的力学性能与耐磨性，结合导电涂层降低信号干扰，为关键线路提供可靠防护。尽管应用前景广阔，仍需着力解决高屏蔽效能与轻质柔性的平衡、功能涂层在复杂环境中的稳定性与耐久性，以及低成本规模化制备工艺的开发。未来，随着多功能涂层技术的进步，IHPFs有望在电磁屏蔽、智能监测与结构防护一体化系统中发挥更关键的作用。

图12. 电磁干扰屏蔽IHPFs材料的应用。

VI  结论

IHPFs因其轻质、高比强度模量及优异的环境稳定性，已成为航空航天与国防军事等极端环境下不可或缺的关键材料。本文系统阐述了电磁屏蔽机理，揭示了纤维表面惰性等共性问题，综述了“干/湿”表面改性策略及电磁屏蔽功能层的制备方法，并总结了其在屏蔽织物、吸波隐身、设备防护等领域的应用进展。尽管该领域已取得显著成就，但实现大规模、长期稳定应用仍面临关键挑战：一是需确保功能层与纤维、纤维与树脂界面的长期稳定性；二是需在保持优异力学性能的同时兼顾高效屏蔽；三是功能层需从单一屏蔽向多功能协同一体化演进；四是需在功能化同时实现成本控制与规模化制备；五是需从反射主导转向吸收主导的绿色屏蔽模式。未来发展趋势应聚焦于多尺度界面调控与结构设计，通过先进工艺构筑高效功能层；发展结构可控、轻质高效的功能化策略，实现“轻质-高强-高效屏蔽”的协同优化；通过异质材料协同设计，集成电磁屏蔽与热管理、传感等多功能；推动绿色、低成本、连续化制备技术的开发。随着新材料体系与结构设计的不断突破，IHPFs电磁屏蔽材料将在国防安全与智能防护领域发挥更加重要的作用。

图13. 基于电磁屏蔽的IHPFs材料的挑战及展望。

VII  总结与展望

随着无线通信与雷达技术的飞速发展，电磁干扰与辐射污染问题日益严峻，对精密设备运行、信息安全及人体健康构成威胁，尤其在航空航天等极端环境下更为突出。传统金属屏蔽材料虽性能优异，但存在密度高、易腐蚀、加工难等缺陷，难以满足现代装备对轻量化、柔性化的需求。

IHPFs凭借其轻质、高比强度、优异的热稳定性和化学稳定性，成为构筑下一代电磁屏蔽材料的理想基材。然而，除金属和碳基纤维外，大多数IHPFs属绝缘体，且其表面化学惰性、光滑，导致功能涂层在应力或热循环下易脱落，严重制约了其电磁屏蔽功能化的实现。

针对这一共性瓶颈，研究者发展了“干法”与“湿法”两类表面活化策略，通过引入活性基团、增加表面粗糙度以增强界面结合。在此基础上，采用物理沉积、化学处理及新兴技术等手段，在纤维表面构筑导电/磁性功能层，实现对电磁波反射与吸收的协同调控。

目前，IHPFs已在电磁屏蔽织物、吸波隐身及精密设备防护等领域展现出广阔应用前景。未来发展方向应聚焦于：多尺度界面调控以提升长期稳定性；发展轻质高效、结构可控的功能化策略；实现电磁屏蔽与热管理、传感等多功能集成；推动绿色、低成本、连续化制备技术的开发；从反射主导转向吸收主导的绿色屏蔽模式。随着新材料体系与结构设计的不断突破，IHPFs基电磁屏蔽材料将在航空航天、国防安全及智能电子防护领域发挥更加重要的作用。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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