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安农大陈玉霞教授团队 AFM: 超薄轻质中空MOF@竹衍生的碳基复合材料 - 用于高效的电磁屏蔽和热管理
2025-09-02  来源:高分子科技

  随着智能家居与物联网设备的广泛普及,室内外电磁辐射源急剧增加,电磁干扰问题愈发突出。这类“电磁污染”不仅影响无线通信质量和智能系统稳定运行,还可能对人体健康造成潜在威胁。近年来,电磁屏蔽材料研发日益受到关注,但传统材料面临成本高、工艺复杂、环境兼容性差等问题,限制了其在柔性电子和智能家居等领域的大规模应用。因此,开发绿色、轻量、低成本且高效的新型电磁屏蔽材料已成为当前研究的重点。目前,生物基屏蔽材料多采用木材作为骨架,但木材生长周期长,可持续性不足。另一方面,常用的金属有机框架(MOF)材料也存在密度高、孔隙率有限等问题,且在碳化过程中容易出现结构坍塌和金属颗粒聚集,导致导电性下降、界面结合变差,最终引起屏蔽效能降低、反射增加和机械性能不足。针对这些问题,竹子作为一种生长迅速、碳含量高、具有天然多孔结构的生物质材料,展现出巨大潜力。其内部的含氧官能团和层级孔道为MOF原位生长提供了有利条件。因此,通过空心化工程设计,结合MOF在竹材内的原位生长,可制备出轻质高强、屏蔽效能优异且低反射的竹基复合材料,为发展绿色电磁屏蔽材料提供了新方向



1 HCoFe@CN/BC复合材料的设计策略


  近日,安徽农业大学的陈玉霞教授团队提出并制备了一种超薄、轻质的空心磁性CoFe碳纳米笼嵌入竹衍生碳化复合材料(HCoFe@CN/BC)。该材料通过在纤维素支架上原位生长CoFe普鲁士蓝类似物,再经过酸蚀刻、压缩与碳化工艺获得。连续的电磁耦合网络可实现多重能量耗散,而独特的空心结构不仅有效降低材料密度,还促进了电磁波的多次内部反射,显著增强屏蔽性能。性能测试表明,厚度仅0.14 mm、密度0.278 g/cm3的该复合材料,实现了50.1 dB EMI屏蔽效能、仅6.57 dB的平均反射值以及12872.6 dB cm2g-1的比屏蔽效能,性能优于绝大多数已报道的生物质基材料。此外,该材料在焦耳热性能方面同样表现优异,仅在2V低电压下,表面温度即可快速升至118℃,具备智能家居低压供热的应用潜力。基于这些特性,HCoFe@CN/BC已在装饰建材与智能家居系统中完成实际应用验证,充分展示了其在电磁防护与热管理领域的广阔前景。



  相关工作以Hollow CoFe-MOF@bamboo derived lightweight carbon composites for high-efficiency electromagnetic interference shielding and thermal management”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者为安徽农业大学材料与化学学院陈玉霞教授、马超副教授和郭勇教授,共同第一作者为安徽农业大学博士后魏洁和硕士生孙旭。



2 HCoFe@CN/BC复合材料的形态特征


  HCoFe@CN/BC复合材料的制备过程是在脱木质素和经 TEMPO 氧化处理的竹纤维支架内原位生长钴铁基普鲁士蓝类似物(CoFe PBA),随后经过酸蚀、热压和碳化等步骤完成。将空心的 CoFe PBA/竹材复合材料(HCoFe PBA/B)进行压缩处理,然后在高温下进行碳化,从而得到压缩后的空心 CoFe 碳纳米笼/竹炭复合材料(HCoFe CN@BC)。在此过程中,复合材料中的纤维素支架和 CoFe PBA 的有机骨架转化为碳,从而提高了电子导电性,而 Co2+ Fe3+ 则原位还原为金属Co/Fe 颗粒,实现了强磁耦合。



3 HCoFe@CN/BC复合材料的电磁干扰屏蔽性能


  CoFe@CN/BC-900 复合材料在超薄(0.14 mm)且密度(0.278 g/cm3)极低的情况下,表现出卓越的 SSE/t 值为 12872.6 dB·cm2·g-1,不仅超过了已报道的大多数生物源复合材料,而且也优于先前报道的碳基复合材料。这种出色的表现使其成为智能家居和可穿戴电子应用中下一代电磁干扰屏蔽的有竞争力的候选材料。



4 HCoFe@CN/BC复合材料的焦耳热性能


  HCoFe@CN/BC复合材料在输入电压(U)范围从 0.5 2 V时,表现出高效的能量转换。稳态饱和温度(Ts)迅速上升,在 0.511.5 2 V的施加电压下分别达到 30.546.479.7 118 ℃的平衡值。值得注意的是,在加热过程中,无论施加的电压如何,都能观察到持续快速的热响应时间(<15 s),这表明 HCoFe@CN/BC复合材料具有快速的热响应能力。基于此,进一步将HCoFe@CN/BC复合材料的热管理性能在建筑工程应用方面进行验证。将一块HCoFe@CN/BC壁纸贴在木板上,用作木屋模型的热源。施加外部电压后,涂有该壁纸的木板表面温度明显高于环境温度,形成了明显的温差。



5 HCoFe@CN/BC复合材料的电磁屏蔽应用演示


  此外,通过在婴儿床下方安装特斯拉线圈来构建室内家庭场景,以模拟电动婴儿床可能产生的电磁辐射暴露情况。当线圈激活时,放置在婴儿床表面的白炽灯泡会亮起。当将复合材料用作婴儿床面板上的屏蔽层时,后续线圈的激发无法触发白炽灯泡的亮起,这表明该复合材料在辐射防护方面具有极好的潜力,非常适合用于可穿戴电子设备和智能家居系统等新兴应用中。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202513845

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(责任编辑:xu)
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