摘要：下一代通信设备的快速发展加剧了电磁辐射污染，需要有效的微波吸收（MA）材料。螺旋材料具有独特的结构和光学性质，由于其额外的手性参数和通过结构手性产生交叉极化的能力，已成为有希望的候选材料。在这些材料中，螺旋碳纳米管（HCNTs）和螺旋碳纳米纤维（HCNFs）因
成都大学李颖研究员：用于高性能微波吸收和油水分离的轻质弹性螺旋碳纤维的可控制备
下一代通信设备的快速发展加剧了电磁辐射污染，需要有效的微波吸收（MA）材料。螺旋材料具有独特的结构和光学性质，由于其额外的手性参数和通过结构手性产生交叉极化的能力，已成为有希望的候选材料。在这些材料中，螺旋碳纳米管（HCNTs）和螺旋碳纳米纤维（HCNFs）因其轻质、合适的导电性和诱导交叉极化的能力而脱颖而出，使其在MA应用中具有很高的吸引力。
近日，成都大学李颖研究员团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Controlled preparation of lightweight, resilient helical carbon fibers for high-performance microwave absorption and oil-water separation”。研究者通过改进的沉淀/溶胶-凝胶/还原技术和化学气相沉积工艺，实现了对直线型（CNFs）、扭结状（TCNFs）和弹簧状（SCNFs）的碳纤维的大批量制备。与CNFs相比，所得两种具有不同螺旋结构的碳纳米纤维表现出更好疏水特性和MA性能。优异的电磁波吸收性能归因于介电损耗和磁损耗的协同作用，并且螺旋结构能诱导交叉极化，这进一步能提高MA性能。此外，所得的扭结状碳纳米纤维（TCNFs）和SCNFs均显示出较好的弹性和疏水亲油特性。总的来说，这些发现为轻质、高性能材料的开发提供了有价值的见解，并为多功能设备的设计开辟了道路。
图1b显示了CNFs的形貌，其为直径在100至260 nm之间。TCNFs直径短于CNFs，范围为50至110 nm（图1c）。而SCNFs变得更加缠绕，表面光滑，节距直径为1.75-2.9 μm，节距距离为40-380 nm，管径为210-450 nm（图1d）。
图1：CNFs，TCNFs和SCNFs制备和形貌。
图2a-c描述了CNFs的RL特性，显示17.8 GHz时的RLmin值为–16.4 dB，勉强满足–10.0 dB的实际要求。对于TCNFs（图2d-f），在厚度为3.9 mm，频率为7.8 GHz时，RLmin达到了–41.2 dB。在1.78 mm的厚度下，EAB为4.8 GHz（13.2–18.0 GHz）。在图2g - f中，SCNFs在10.3 GHz时的RLmin为–50.4 dB，厚度为2.5 mm。在厚度为1.74 mm，EAB扩展到4.1 GHz（13.9–18.0 GHz）。TCNFs和SCNFs展现出优异的电磁波吸收性能可归因于介电损耗和磁损耗的协同作用，并且螺旋结构能诱导交叉极化。
TCNFs和SCNFs不仅具有优异的电磁波吸收性能，而且还具有疏水特性。图3a-c描述了三种不同形态的碳纳米纤维的疏水性能。CNFs和TCNFs的接触角分别为110.5◦和124.0◦，表明它们具有良好的疏水性能，属于具有MA能力的疏水材料。由于SCNFs内部具有弯曲的弹簧状结构，它们具有优异的疏水性，接触角达到151.3◦，使其成为超疏水材料。图3d-f显示了SCNFs对水和油的吸附。该材料表现出疏水性，并在短时间内表现出较强的吸油能力，接触角达到0◦，表明SCNFs具有超疏水性和亲油性，能选择性吸附油污染物。这些发现为碳材料的多功能应用提供了有价值的见解。
图3：CNFs、TCNFs和SCNFs的疏水性分析：（a-c）接触角测量结果；（d-f） SCNFs的光学图像：油（右）和水（左）。
论文链接：http://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119923
人物简介：
李颖，工学博士，特聘研究员，硕士生导师，意大利米兰理工大学访问学者。主要研究方向为导热复合材料、电磁防护材料和材料模拟计算。主持有国家自然科学基金3项、省部级基金2项、国防重点实验室开放课题1项以及企业横向合作项目2项。在Chemical Engineering Journal、Ceramics International、Carbon等国际学术期刊发表科研论文多篇，授权专利多项。是Small、Journal of Advanced Ceramics等期刊审稿人。
来源：晓霞科技观