【文献速递】固相碳源-化学气相沉积法制备碳纤维/碳纳米管复合材料的电磁波吸收与焦耳热性能研究
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🏆 基本信息
📅 发表时间：2026年2月
📜 发表期刊：Carbon（IF=10.9）
🎓文章标题：Electromagnetic wave absorption and Joule heating of carbon fiber/carbon nanotube composites via solid carbon source-chemical vapor deposition method👥研究团队：哈尔滨工业大学吕海宝+李建军🎯核心突破：
首创性方法：创新性地采用“固相碳源-化学气相沉积法（SCS-CVD）”，以废弃粘胶纤维为前驱体，成功制备出高性能碳纤维/碳纳米管复合材料。
卓越的焦耳热性能：在仅3V的低驱动电压下，材料可在5秒内快速升温至205.7°C，展现出极高的电热转换效率和快速响应能力。
强效的电磁波吸收：在15wt%的低填充量下，其最小反射损耗（RL）低至-58.8 dB，有效吸收带宽（EAB）达到5.12 GHz，覆盖了80%的Ku波段，实现了“吸波”与“产热”的双重功能集成。
🔍 研究背景
随着无线通信和雷达探测技术的飞速发展，电磁波（EMW）吸收材料的研究面临新的挑战，传统的单一功能材料已无法满足复杂应用场景的需求，当前领域主要面临以下核心痛点：
功能单一化瓶颈：传统的电磁波吸收材料仅专注于提升吸波性能，忽视了在低温和恶劣环境下应用的附加功能需求，如防冰、除霜等，限制了其在航空、户外电子等领域的实用性。
阻抗匹配难题：传统碳纤维材料（如PAN基碳纤维）具有过高的介电常数（ε’值过高），导致严重的趋肤效应，使得电磁波难以进入材料内部，大部分被反射，从而削弱了吸波效果。
焦耳热与吸波性能难以协同：如何设计一种材料，既能构建高效的导电网络以实现优异的焦耳热效应，又能优化其介电损耗和阻抗匹配以高效吸收电磁波，是当前研究中亟待解决的难题。
制备工艺的安全与成本问题：传统的碳纳米管（CNTs）化学气相沉积（CVD）法通常使用易燃易爆的烃类气体作为碳源，存在储存运输不便、成本高、安全性低等局限。
🧪 研究方法
材料合成：
为探究粘胶基碳纤维及粘胶基碳纤维/碳纳米管复合材料的焦耳热性能，本研究采用直流电源为两种材料提供驱动电压（见图11a），并通过红外热成像仪记录和可视化样品的表面温度变化（见图11e、f），实验环境温度约为20.9℃。图10b、c分别展示了粘胶基碳纤维、粘胶基碳纤维/碳纳米管复合材料在不同电压驱动下的温度变化规律。观察发现，在施加和撤去电压的过程中，样品表面温度的响应过程可分为三个阶段：升温阶段、稳态阶段和降温阶段。 在1 V、2 V、3 V、4 V的驱动电压下，粘胶基碳纤维的对应稳态温度分别为26.5℃、42.3℃、60.4℃和78.7℃，从环境温度升至稳态温度的升温时间约为10秒，从稳态温度降至环境温度的降温时间约为15秒。在相同的1 V、2 V、3 V、4 V驱动电压下，粘胶基碳纤维/碳纳米管复合材料的稳态温度分别达到61.4℃、131.8℃、205.7℃和283.9℃，其升温时间仅约5秒，降温时间约为13秒。 可见，粘胶基碳纤维虽在低电压驱动下可产生焦耳热，具备一定的焦耳热性能，但存在稳态温度低、响应时间较长的缺陷。与之相比，粘胶基碳纤维/碳纳米管复合材料的焦耳热性能得到显著提升，在低电压驱动下的稳态温度大幅提高，响应时间也明显缩短。为探究粘胶基碳纤维和粘胶基碳纤维/碳纳米管复合材料的发热机理，本研究将两种材料的稳态温度与电压平方进行线性拟合分析。
- 测试表征
微观结构表征：使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察碳纤维及复合材料的表面形貌、碳纳米管的生长状态、直径、长度及微观结构（如竹节状结构）。通过X射线衍射（XRD）分析材料的物相和晶体结构，利用拉曼光谱（Raman）分析碳材料的石墨化程度和缺陷密度。
电磁性能测试：采用矢量网络分析仪（VNA）通过同轴法测量材料在2-18 GHz频率范围内的电磁参数（复介电常数和复磁导率），并基于传输线理论计算反射损耗（RL）和阻抗匹配特性。
焦耳热性能测试：搭建直流电压驱动装置，对材料施加不同电压（1-4 V），并使用热成像仪（Infrared Thermal Camera）实时、原位监测材料表面的温度变化，记录其升温、稳态及降温过程。
📊 研究结论
卓越的焦耳热性能：VBCF/CNTs复合材料在3V低电压驱动下，稳态温度可达205.7°C，升温时间仅需5秒。其电热转换能力（K值为14.43）远超纯VBCF（K值为3.41），在冰融化实验中，将冰完全融化的时间从自然状态下的31分钟大幅缩短至5.5分钟，展现了极佳的低压高效产热和快速响应能力。
优异的电磁波吸收性能：在15 wt%的低填充量下，VBCF/CNTs复合材料的最小反射损耗（RL_min）达到-58.8 dB（厚度2.54 mm），有效吸收带宽（EAB）宽达5.12 GHz（厚度1.8 mm），覆盖了80%的Ku波段。雷达散射截面（RCS）模拟值在-90°至90°范围内始终低于-10 dBm²，最大减缩量达35.96 dBm²，表明其在实际应用中能有效衰减超过90%的入射电磁波。
多重协同损耗机制：VBCF/CNTs的优异吸波性能源于多种机制的协同作用：由碳纤维和碳纳米管构建的三维导电网络提供了传导损耗；竹节状碳纳米管、碳纤维/碳纳米管/催化剂之间丰富的界面带来了界面极化损耗；碳纳米管和碳纤维中的大量缺陷和官能团引发了缺陷诱导极化损耗和偶极极化损耗。
固相碳源法的工艺优势：成功验证了利用低成本、安全的固态碳源（柠檬酸和尿素衍生物）替代传统易燃易爆的烃类气体，通过SCS-CVD法在碳纤维表面均匀、密集地生长碳纳米管的可行性。特别是具有独特脊状结构的粘胶基碳纤维（VBCF），为催化剂负载提供了更多位点，促进了碳纳米管更均匀、致密的生长。
⚙️ 机制说明
VBCF/CNTs复合材料的多功能性源于其精心设计的微观结构与多重物理机制的协同作用：
焦耳热机制：材料内部由碳纤维和原位生长的碳纳米管构建了一个高效的三维导电网络。当施加低电压时，电子在这个低电阻网络中迁移和跃迁，与晶格发生碰撞，将电能高效转化为焦耳热（符合焦耳定律：T ∝ U²）。同时，碳纳米管极高的热导率使得产生的热量能够迅速、均匀地传递至整个材料表面，从而实现快速升温和均匀加热。
电磁波吸收机制：
传导损耗：三维导电网络为电子迁移提供了通道，将入射电磁波的能量转化为传导电流，最终以热能形式耗散。
极化损耗：材料内部存在大量界面（VBCF/CNTs、CNTs/CoFe催化剂、CNTs/CNTs）和缺陷（竹节状CNTs的节点、碳层的空位），这些结构在外加交变电磁场下会积聚电荷，形成空间电荷极化和偶极子取向极化，并伴随弛豫过程消耗电磁波能量。
阻抗匹配优化：碳纳米管的生长和磁性CoFe催化剂的引入，有效调节了材料过高的介电常数，使其与空气的阻抗匹配度提高（|Z_in/Z_0|更接近1），减少了电磁波在材料表面的反射，让更多电磁波得以进入材料内部被损耗。
多重反射与散射：三维网络结构延长了电磁波在材料内部的传播路径，增加了其被多次反射、散射和吸收的机会。
📸 图文赏析
图 1固相碳源 - 化学气相沉积法原位构筑碳纤维 / 碳纳米管复合材料的三个主要步骤示意图
图 2经 900℃相同煅烧温度处理的碳纤维及其对应复合材料的扫描电镜（SEM）图像：(a–c) 聚丙烯腈基碳纤维；(d–f) 粘胶基碳纤维；(g–i) 聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管复合材料；(j–l) 粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料
图 3粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料中竹节状碳纳米管的TEM图像 (a–f)；由催化剂原位生长竹节状碳纳米管的生长机理示意图 (g)
图 4(a) 聚丙烯腈基碳纤维样品与聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的 XRD图谱；(b) 粘胶基碳纤维样品与粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的 X 射线衍射图谱；© 聚丙烯腈基碳纤维样品的拉曼光谱；(d) 聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的拉曼光谱；(e) 粘胶基碳纤维样品的拉曼光谱；(f) 粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的拉曼光谱
图 5聚丙烯腈基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管、粘胶基碳纤维、粘胶基碳纤维 / 碳纳米管样品的 (a) 介电常数实部、(b) 介电常数虚部、© 磁导率实部、(d) 磁导率虚部；聚丙烯腈基碳纤维样品的三维 (e) 和二维 (i) 反射损耗图谱；聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的三维 (f) 和二维 (j) 反射损耗图谱；粘胶基碳纤维样品的三维 (g) 和二维 (k) 反射损耗图谱；粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的三维 (h) 和二维 (l) 反射损耗图谱
图 6(a) 聚丙烯腈基碳纤维样品的科尔 - 科尔曲线；(b) 聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的科尔 - 科尔曲线；© 粘胶基碳纤维样品的科尔 - 科尔曲线；(d) 粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的科尔 - 科尔曲线
图 7(a–d) 聚丙烯腈基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维 / 碳纳米管、粘胶基碳纤维、粘胶基碳纤维 / 碳纳米管样品在不同厚度下的反射损耗值；(e–h) 各样品的匹配厚度模拟曲线；(i–l) 各样品的阻抗匹配图谱
图 8粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的电磁波吸收机理示意图
图 9(a) 雷达散射截面（RCS）建模示意图；(b) 样品在不同角度下的雷达散射截面模拟值；© 样品的二维雷达散射截面极坐标图；(d–f) 样品的三维雷达散射截面散射信号图
图 10(a) 电热器件示意图；(b) 粘胶基碳纤维在 1、2、3、4 V 不同电压驱动下的温度变化曲线；© 粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料在不同电压驱动下的温度变化曲线；(d) 粘胶基碳纤维和粘胶基碳纤维 / 碳纳米管的稳态温度与电压平方的线性拟合图；(e) 粘胶基碳纤维的红外热成像图；(f) 粘胶基碳纤维 / 碳纳米管复合材料的红外热成像图
图 11(a, b) 冰自然融化过程的红外热成像与数码照片；(c, d) 3 V 电压驱动下粘胶基碳纤维 / 碳纳米管的焦耳热辅助冰融化和升温过程的红外热成像与数码照片
🚀 未来研究展望
基于本研究成果，未来可在以下几个方向进行深入拓展：
柔性可穿戴设备集成：将该复合材料与柔性基底结合，开发轻质、柔性、可穿戴的电磁屏蔽/吸波与智能加热一体化织物，应用于人体热管理和可穿戴电子设备的电磁防护。
智能响应系统构建：结合形状记忆聚合物或热致变色材料，利用该材料高效的焦耳热效应，开发具有热驱动形状回复、颜色变化等功能的智能电磁波吸收系统，实现“吸波-感知-驱动”一体化。
规模化制备与性能调控：优化SCS-CVD工艺，探索连续化、规模化生产VBCF/CNTs复合材料的方法。同时，通过调控固相碳源组成、催化剂种类和热处理工艺，实现对碳纳米管密度、长度、缺陷程度以及最终复合材料电磁与热学性能的精确控制。
多功能涂层应用：将该复合材料作为功能涂层，应用于飞机机翼、风力发电叶片、雷达罩等关键部件，同时实现防/除冰、防雷击和雷达隐身等多重功能，提升设备在极端环境下的生存能力和可靠性。
🔬文献信息
Wang, C., Hua, L., Li, J., Bai, H., Li, J., Ibragimov, A. B., Khalilov, U., Yusupboyevich, Y. Y., & Lu, H. (2026). Electromagnetic wave absorption and Joule heating of carbon fiber/carbon nanotube composites via solid carbon source-chemical vapor deposition method. Carbon, 247, 121049. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121049
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