引言

当前，人工智能（AI）技术的飞速发展极大地推动了高性能电子设备的进步。然而，这也带来了一些亟待解决的问题，其中尤为突出的便是电磁波（EMW）辐射污染和由电子设备热效应引起的故障/功能障碍。这些问题不仅威胁到生产安全，也可能危害人体健康。传统的电磁波吸收体虽然能有效地将入射辐射转化为热能并耗散掉，但这反而会加速设备内部的热量积聚。因此，迫切需要开发一种材料，能够同时实现微波吸收和热管理功能的协同效应。

在众多的电磁波吸收（EWA）材料中，碳材料和磁性材料受到了广泛关注。碳材料因其低质量密度、高机械强度和对环境影响小等优点，被认为是不可或缺的。它们可以呈现多种纳米结构形态，包括空心碳纳米球、碳纳米管（CNT）、石墨烯和多孔碳等。

传统的碳化和石墨化处理方法往往面临生产周期长、成本高等挑战。因此，迫切需要开发一种快速高效的热处理技术，特别是在电磁波吸收和热调节领域。近年来，微波加热和焦耳热驱动的碳热冲击方法作为有前景的方法出现，它们能够瞬时将碳材料的表面温度升高到约3000℃。其中，微波加热依赖介电极化效应通过分子摩擦产生内部热量，能量效率为60%~70%。然而，焦耳加热利用电阻将电能直接转化为热能（能量转换效率>95%），并且可以通过调节电流参数实现精确控制，从而实现靶向相变。这为研究非晶态和石墨化材料创造了必要条件。

在这项工作中，广东工业大学黄锦涛副教授、闵永刚教授团队在《Carbon》上发表了题为“Joule-heat derived amorphous/graphitic polymer nanotubes with enhanced electromagnetic wave absorption and high thermal conductivity”的论文，提出了一种直接的碳化策略，以调控聚吡咯基聚合物纳米管（PNT）中非晶态和石墨化组分的比例。通过应用快速焦耳加热提高处理温度，他们观察到非晶态到石墨态的比例逐渐降低。这种转变伴随着电导损耗和极化损耗的增加，最终优化了整体电磁波吸收性能。本文揭示了缺陷极化和晶粒结构调控机制，为电子器件的电磁-热协同管理材料设计提供了新范式。

 创新亮点

1、焦耳热热驱动快速碳化策略：

（1）传统的碳化和石墨化方法周期长、成本高，而本研究采用焦耳热快速加热技术，通过焦耳热设备调节电流参数实现快速升温（700–2800°C），高效调控非晶与石墨化相的比例，显著提升了材料的电磁波吸收和导热性能。

（2）该方法具有高能量转换效率（>95%），且操作简便，适合规模化生产。

2、非晶/石墨化相协同优化：

（1）研究发现，在1000°C处理的PNT-1000具有最佳电磁波吸收性能，其最小反射损耗（RL）为–45.1 dB，有效吸收带宽（EAB）达3.46 GHz。

（2）高温处理的PNT-2000@PDMS复合材料表现出优异的导热性能（4.20 W/(m·K)），比纯PDMS提高了1589%，为电子设备的热管理提供了新选择。

3、氮掺杂缺陷的调控作用：

（1）通过XPS和Raman分析发现，氮掺杂缺陷在低温阶段（如PNT-1000）显著增强了极化松弛和偶极极化，从而提升了电磁波吸收性能。

（2）高温处理后，氮缺陷逐渐消除，石墨化程度提高，导热性能显著增强。

4、多功能复合材料的设计：

（1）PNT-X@PDMS复合材料不仅具有优异的电磁波吸收能力，还表现出高柔性和热响应特性，适用于复杂形状的电子设备。

备注：PNT-X 是论文中研究的核心材料，其全称为聚合物纳米管经过焦耳热设备处理后的碳化材料（X 代表不同的热处理温度，如 PNT-1000 表示 1000°C 处理的样品）。

（2）通过调控PNT的碳化温度，实现了电磁波吸收与导热性能的平衡，为多功能材料的设计提供了新思路。

图文解析

图1：展示了PNT-X的制备流程及不同温度处理后的SEM形貌演变，从原始PNT的管状结构到高温（2800°C）下的片状结构转变

 图2：通过XRD、Raman、TGA和电导率测试，系统分析了PNT-X的晶体结构、石墨化程度、热稳定性和导电性能随温度的变化规律

 图3：XPS表征揭示了PNT-X中C、N、O元素的化学状态演变，表明高温处理导致氮掺杂减少和石墨化碳含量增加

 图4：对比了PNT和PNT-1000的电磁波吸收性能，显示PNT-1000在1.5 mm厚度下具有最优反射损耗（-45.1 dB）和宽有效吸收带宽（3.46 GHz）

 图5：介电常数和磁导率分析结合Cole-Cole曲线，阐明了PNT-1000的极化松弛和导电损耗协同增强电磁波吸收机制

 图6：CST仿真验证了PNT和PNT-1000的电磁波衰减能力，其雷达散射截面（RCS）显著低于纯石蜡基底

图7：PNT-X@PDMS复合材料展现出优异的柔性和热导率（最高4.20 W/(m·K)），红外热成像证实其快速热响应特性

总结与建议

总之，这项研究展示了一种简单高效的焦耳热碳化方法，成功地控制了聚合物纳米管中非晶相与石墨相的比例，从而显著提升了它们的电磁波吸收和热导率性能。这项工作建立了一种有效的设计策略，用于开发能够满足先进电子应用中电磁波辐射和热管理需求的多功能复合材料。通过精确控制碳材料的相组成和缺陷结构，可以同时优化电学和热学性能，以应对日益增长的电磁辐射带来的挑战。

对于静电纺丝行业、高校相关领域的师生以及企业科研单位来说，这项研究提供了以下建议和启示：

1.探索焦耳热在其他纳米材料体系中的应用：本研究成功地将焦耳热应用于聚吡咯基纳米管的碳化和石墨化，这种快速高效的方法也可以尝试用于静电纺丝制备的各种聚合物纳米纤维的碳化、石墨化或相变，以精确控制其微观结构和宏观性能。这可能为设计新型高性能纳米材料提供一条普适的路径。

2.深入理解结构-性能关系： 研究强调了非晶相、石墨相以及缺陷在电磁波吸收和热导率中的不同作用。未来的研究可以进一步精细控制这些结构特征，例如通过调控前驱体组成、掺杂元素或热处理参数（如升温速率、保温时间），更深入地理解结构演变对协同性能的影响，并尝试实现性能的进一步优化或按需定制。对于静电纺丝领域，可以探索如何将特定的前驱体、掺杂剂集成到静电纺丝过程中，并通过后续的焦耳热处理实现目标结构。

3.探索更复杂的复合结构： 本研究主要探讨了PNT-X与PDMS的简单复合。未来的工作可以尝试构建更复杂的复合结构，例如多层结构、梯度结构或与其它功能组分（如磁性纳米粒子、相变材料等）复合，以实现更多元化或更极致的性能。静电纺丝技术本身就擅长构建各种复杂结构和复合纤维，与焦耳热方法的结合有望创造出更多意想不到的新材料。

总而言之这项研究为静电纺丝行业和碳材料领域提供了新的研究方向和应用前景。通过焦耳热热驱动的创新方法，我们不仅解决了电磁波污染和热管理的难题，还为多功能复合材料的设计开辟了新的道路。期待未来更多研究者加入这一领域，共同推动高性能材料的开发与应用！

 文章来源：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120427

 

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