山东大学王凤龙/刘久荣等：熵驱动1D磁性碳纤维嵌入3D气凝胶，实现宽频电磁波吸收

Entropy-Driven 1D Magnetic Carbon Fibers Embedded into 3D Aerogel Enable Broadband Electromagnetic Wave Absorption

Tingting Zhao, Shiping Shao, Ke Bi*, Yunxiang Tang, Lili Wu, Jiurong Liu*, Zhou Wang, Fenglong Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18:356

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02212-w

本文亮点

1. 熵驱动设计，协同增强损耗：通过熵工程在尖晶石铁氧体中引入多金属阳离子(Mn、Ni、Zn、Co)，调控磁/介电特性，提升电磁波损耗能力。

2. 1D磁性碳纤维嵌入3D气凝胶，发挥多维结构优势：一维磁性碳纤维具有磁损耗中心和异质界面，三维碳气凝胶提供轻质多孔骨架、导电网络和长程传播路径，二者协同优化阻抗匹配与电磁衰减。

3. 宽频强吸收与多功能兼备：结构组分优化后的MCA-2气凝胶在低填料含量下实现最小反射损耗−54.11 dB，最大有效吸收带宽达7.2 GHz，同时兼具超轻、隔热和光热转换性能。

研究背景

日益突出的电磁污染问题对人体健康造成了巨大的威胁。因此，探索高效、宽频、轻质的吸波材料以实现有效电磁防护具有重要意义。传统粉体型吸波材料普遍存在密度高、带宽窄以及单一损耗机制难以兼顾阻抗匹配与强衰减等问题，无法满足多场景实际应用需求。如何在保持强吸收能力的同时拓宽有效吸收带宽，成为电磁波吸收材料领域亟需解决的关键问题。近年来，通过静电纺丝制备的一维磁性碳纳米纤维和通过冷冻干燥组装的三维碳气凝胶各自展现出独特的优势：纤维具有良好的组分可设计性，可提供丰富的异质界面和可调的电磁性能；气凝胶则具有低密度、良好阻抗匹配和丰富多样的电磁波传播路径。基于此，将一维功能纤维集成到三维导电网络中，并引入熵工程优化磁性组分，有望实现阻抗匹配、介电损耗和磁损耗的协同调控，为构筑轻质、宽频、高效电磁波吸收材料提供新的设计思路。

内容简介

针对上述瓶颈，山东大学王凤龙、刘久荣教授团队提出了一种“熵驱动+多维结构”的创新策略。研究人员首先通过静电纺丝技术制备含多种金属前驱体的聚丙烯腈(PAN)纤维，并在预氧化与碳化过程中原位生成多阳离子尖晶石铁氧体颗粒，获得磁性碳纤维(MCFs)。随后，将MCFs与氧化石墨烯(GO)和TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TOCNF)混合，通过定向冷冻干燥和退火，制备出MCFs均匀嵌入的三维碳气凝胶(MCA)。这一设计的核心并不是简单地把磁性粉体加入气凝胶，而是把“熵驱动磁性损耗单元”“一维导电纤维”和“三维多孔气凝胶”连接成一个多尺度协同体系。熵工程带来的晶格畸变和多重金属离子协同作用，增强了磁损耗与介电损耗的耦合；而一维纤维与三维气凝胶的复合结构，既提供了丰富的异质界面和导电网络，又优化了阻抗匹配，最终实现了宽频、高效的电磁波吸收。此外，该复合气凝胶同时具有良好的可压缩性、低热导率和快速光热升温能力，为复杂环境下的轻质多功能电磁防护材料提供了新思路。

图文导读

I 从粉体到纤维：熵驱动磁性碳纤维的构筑

作者首先将Mn、Ni、Zn、Co和Fe等金属前驱体与PAN溶液结合，通过静电纺丝和随后预氧化及碳化过程，多金属离子原位转化为尖晶石铁氧体颗粒，并嵌入碳纤维内部或分布于碳纤维表面。与常规尖晶石铁氧体相比，熵驱动引入的Mn、Ni、Zn、Co等多金属离子可诱导晶面间距扩大，增强了结构无序性。此外，多金属掺杂可促进费米能级附近d轨道重叠，拓宽导带并促进电子离域，有利于介电损耗与磁损耗的协同优化。在此基础上，碳纤维可有效抑制磁性颗粒团聚，并提供电子传输路径；另一方面，尖晶石铁氧体颗粒又能为纤维引入磁响应和多重异质界面。随后，将一维磁性碳纤维进一步嵌入GO/TOCNF构成的三维气凝胶骨架中，形成多功能复合吸波结构。

图1. MCFs与MCA气凝胶的制备示意图。

II 一维纤维+三维气凝胶：构筑分级多孔导电网络

本研究通过系统的结构表征确认了MCFs和MCA气凝胶的组成与结构演化过程。在磁性碳纤维中，多种金属阳离子被有效整合进尖晶石铁氧体结构，说明熵驱动设计成功实现。与此同时，退火使气凝胶内部形成了连续的碳骨架，并有效调控了碳网络的缺陷与石墨化程度，为电荷传输和电磁损耗提供了基础通道。磁响应结果表明，随着磁性碳纤维含量增加，MCA样品的饱和磁化强度和矫顽力逐步提升，证明了其在增强磁损耗和优化电磁衰减行为中的关键作用。如图2所示，磁性碳纤维呈现均匀的一维纤维结构，平均直径约为450 nm，其上均匀分布着约60 nm的尖晶石铁氧体颗粒。而三维气凝胶骨架通过冷冻干燥形成孔隙率约88%的层级多孔网络，赋予其超低密度并促进电磁波的多重反射与衰减。这种从纳米颗粒、一维纤维到三维多孔网络的级联结构，在增强界面极化和调节导电网络的同时，使材料能够在强衰减能力与良好阻抗匹配之间取得平衡，为后续宽频电磁波吸收性能奠定了关键基础。

图2. MCFs与MCA气凝胶的多维结构和多孔骨架微观结构表征。

III 宽频强吸收：MCA-2实现强吸收与宽带宽平衡

如图3所示，MCA气凝胶展现出优异的宽频电磁波吸收能力。相比单纯碳气凝胶CA，磁性碳纤维的引入显著提升了材料的吸波性能。其中，CA的最小反射损耗仅为−12.74 dB，而优化后的MCA-2表现最为突出，其最小反射损耗达到−54.11 dB，匹配厚度为2.02 mm，最大有效吸收带宽达到7.2 GHz，显示出强吸收与宽带宽兼具的优势。进一步分析表明，多孔碳骨架和磁性碳纤维共同构建了连续而适度的导电网络，有利于导电损耗；丰富的纤维/碳骨架界面则增强了界面极化；多阳离子尖晶石铁氧体的引入进一步提供了自然共振和交换共振等磁损耗贡献。多种机制协同作用，使MCA-2不仅具有较强的电磁衰减能力，也保持了良好的阻抗匹配。为了进一步评价材料在真实电磁环境中的潜在应用，作者还进行了远场散射仿真。结果显示，MCA涂覆结构能够显著降低远场散射强度。其中，MCA-2在不同角度和极化条件下均表现出稳定的散射抑制效果。由此可见，该材料具有从实验室吸波测试走向实际电磁防护应用的潜力。

图3. MCA气凝胶的反射损耗与有效吸收带宽。

图4. MCA气凝胶的电磁参数分析。

图5. MCA气凝胶的远场散射仿真与吸波机制示意图。

IV 超轻、隔热与光热：面向复杂环境的多功能集成

除宽频吸波性能外，MCA-2气凝胶还展现出良好的轻量化、隔热和光热转换特性。如图6所示，MCA-2的密度仅为6.36 mg cm⁻3，体现出典型轻质气凝胶特征。同时，其三维多孔骨架在一定压缩应变范围内仍能保持较好的结构完整性，具备良好的机械适应性。在光热转换方面，MCA-2对太阳光具有强吸收能力。在模拟太阳光照射下，样品温度可快速升高至109 ℃，表现出高效的光热转化能力。此外，该气凝胶还具备优异的隔热特性，材料热导率仅为34.59 mW m⁻1 K⁻1，说明层级多孔结构能够延长固相传热过程，有效限制热传导。这种“宽频电磁吸收+热管理”的多功能组合，使MCA-2不仅适用于电磁波衰减场景，也有望应用于复杂环境下的综合防护，例如轻质电磁屏蔽、热防护和光热调控等领域。

图6. MCA-2气凝胶的机械性能、光热转换与隔热性能。

V 总结

本研究通过熵工程与多维结构设计相结合，成功制备了一维磁性碳纤维嵌入三维碳气凝胶的复合吸波材料。在这一体系中，熵驱动设计的尖晶石铁氧体提供可调电子结构与磁响应特性，碳纤维构建导电通道和异质界面，三维气凝胶骨架则实现轻质、多孔、长传播路径和优良阻抗匹配。多种机制协同作用，使MCA-2气凝胶实现了−54.11 dB的最小反射损耗和7.2 GHz的宽有效吸收带宽。更重要的是，该材料还同时具备超轻、隔热和光热转换功能，为下一代轻质、柔性、高效、多场景电磁防护材料提供了新的设计范式。相比传统粉体型吸波材料，这种“熵驱动功能单元+多维气凝胶架构”的思路不仅提升了吸波性能，也为传统磁性/碳基吸波材料从简单组分叠加向结构与组分协同设计转变提供了有益借鉴。

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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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