摘要：随着科学技术的迅猛发展，电磁干扰在医疗、高端电子器件以及航空航天等关键领域引发了广泛关注。电磁波（EMW）可能对人体健康、精密仪器及通信系统造成干扰。其干扰形式既可以表现为单一波段，也可能由多个波段叠加形成复杂的辐射环境。然而，现有屏蔽材料多针对特定频段设计，
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吉林大学王策教授&北京化工大学刘勇教授：多级纳米结构纤维复合材料 ，实现近红外/紫外/X射线多波段电磁防护
随着科学技术的迅猛发展，电磁干扰在医疗、高端电子器件以及航空航天等关键领域引发了广泛关注。电磁波（EMW）可能对人体健康、精密仪器及通信系统造成干扰。其干扰形式既可以表现为单一波段，也可能由多个波段叠加形成复杂的辐射环境。然而，现有屏蔽材料多针对特定频段设计，难以应对多波段电磁干扰的防护需求。开发兼具轻质、柔性的高效多波段电磁防护材料已成为当前材料科学领域面临的重要挑战。
近日，吉林大学王策教授与北京化工大学刘勇教授团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Constructing Multilevel Nanostructures Fiber Composites for NIR/UV/X-ray Multiband Electromagnetic Protection”。研究者通过静电纺丝和后处理技术，制备了具有多级纳米结构的Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料。利用多壁碳纳米管对低频电磁波的强吸收能力，高原子序数(Z)材料Bi和WO3的高光电效应以及纳米纤维的多孔结构，实现了出色的多波段电磁屏蔽性能。所得Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料在0.12 mm厚度下能够屏蔽99.6%的近红外线和99.95%的紫外线。在1.92 mm厚度和33 keV X射线光子能量下能够提供55.2%的X射线衰减和13.94cm2 g-1的质量衰减系数。此外，Bi/WO3/MWCNTs/PAN还具有轻质、柔性，良好的隔热耐温性和电绝缘性等优点，能够满足更广泛的实际应用需求，在医疗等关键领域的电磁防护中具有潜在的应用前景。
图1：Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料的制备流程和表征。
Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料通过静电纺丝结合两种后处理工艺进行制备。首先，通过静电纺丝技术将MWCNTs和WO3纳米棒均匀嵌入PAN纳米纤维中。随后，在溶剂热反应过程中，利用WO3纳米棒作为晶种，诱导PAN纳米纤维表面原位生长WO3纳米颗粒层。WO3纳米棒的存在不仅促进了WO3纳米颗粒的均匀沉积，还有效调控了纤维表面的晶体生长行为，形成了稳定的WO3相，实现了对材料微观结构的精准调控。最后，采用连续离子层吸附反应（SILAR）法，在WO3纳米颗粒层表面进一步生长金属Bi纳米线，构建了具有多级纳米结构的Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料。
Bi/WO3/MWCNTs/PAN复合纳米纤维膜展现出优异的近红外屏蔽和热防护性能。透射光谱测试显示，材料在2500 nm处的近红外透射率仅为0.4%。通过红外热成像结果验证了其良好的隔热效果：在36.5 °C的加热台上，膜表面温度仅升至29.1 °C，与环境仅相差4.8 °C。此外，复合材料的低热导率（36.96 mW m-1 K-1）源于多孔结构对热传导的抑制，有效隔绝外部热量。TGA测试显示，其耐热温度高达289.8 °C，具有优异的热稳定性和防护能力。
图3：Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料的紫外屏蔽性能。
Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料表现出卓越的紫外屏蔽性能。测试显示，其UVA和UVB透射率仅为0.05%，UPF值高达2000，远优于传统材料。紫外-可见光谱表明，多壁碳纳米管的吸收与散射作用显著降低了紫外透过率，Bi和WO3的加入进一步增强了紫外吸收。此外，材料在高强度紫外辐射下仍能保持稳定的屏蔽性能。
Bi/WO3/MWCNTs/PAN纤维复合材料在33 keV能量下，可实现13.94 cm2 g-1的单位质量衰减系数和55.2%的衰减率，即使在100 keV高能量下也能保持15.1%的屏蔽效果，性能接近甚至超越铅玻璃。这种优异性能来源于Bi和WO3的高原子序数吸收特性，结合MWCNTs构建的导电网络与多孔纳米结构，实现了光子多次散射和能量耗散，显著降低了康普顿散射带来的二次辐射。模拟与对比结果进一步验证了其出色的防护效果，展示了作为轻质、高效电磁防护材料的巨大潜力。
June 15, 2025 前免费下载全文：
刘勇教授简介：
刘勇，教授，博导。主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、塑料产品配方及工艺开发、特种功能纤维成型、静电纺丝制备超细纤维、净化甲醛及空气中PM2.5、燃料电池和太阳能电池器件制备、纳米纤维构筑生物医学器件等方面均有研究。迄今发表期刊文章216篇，出版中文专著1部，英文专著2部，译著3部，著作章节2章，获授权专利68项，其中转让9项。是Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)、Polymers (IF 5.0)和Nanomaterials (IF 4.4)期刊的特刊主编。获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明一等奖1项，二等奖3项、专利优秀奖2项，等. 是全国石油和化工行业优秀科技工作者。
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来源：小肖科技论