近日，研究院彭庆宇青年科学家工作室在高性能电磁波吸收材料领域取得重要进展。研究团队制造了一种具有“柱状仙人掌覆盖MXene纳米片簇”分级结构的MXene@rGO纤维吸收体（rGMXn纤维毡），该材料在电磁波吸收领域展现出突破性性能。相关研究成果以《柱状仙人掌状MXene@rGO纤维无纺布，具有高效电磁吸收性能》（Non-woven fabrics of columnar-cactus-like MXene@rGO fibers with efficient electromagnetic absorption）为题，发表于中科院一区TOP期刊《纳米研究》（Nano Research）。
研究背景
近年来，随着电子设备和无线通信技术的爆发式增长，电磁污染问题日益严峻，亟需开发高性能电磁波吸收（EMA）材料。这类材料需兼顾轻量化、宽频带和强衰减能力。尽管MXene、石墨烯等低维纳米材料凭借优异的介电损耗特性被广泛应用，但其微观尺度限制导致难以形成有效导电网络，限制了电磁能转化效率。而具有分层导电网络的结构（如纤维毡）能通过界面耦合、涡流损耗和多孔结构显著提升吸收性能，成为突破现有技术瓶颈的关键方向。然而，MXene材料的高导电性要求低填充量以实现阻抗匹配，反而制约了导电网络的构建——如何在优化MXene分布的同时设计可调阻抗结构，成为当前领域的核心挑战。
成果简介
研究团队通过结合湿法纺丝、熔融盐浴辅助原位合成和化学蚀刻技术，以氧化石墨烯（GO）纤维为碳源和框架基体，制造柱状仙人掌状MXene@rGO纤维无纺布。当纤维填充量仅为10 wt.%时，即可实现强吸收（>50 dB）、宽频带（>5 GHz）和超薄厚度<2 mm）的协同优化，有效覆盖2-18 GHz通信频段。这种跨尺度仿生设计通过构建分级导电网络，显著提高了介电损耗与电磁耦合效率，同时优化了阻抗匹配特性。研究成果为航空航天、可穿戴电子及下一代通信系统的高性能电磁防护材料开发提供了创新范式。
图文导读
图1 rGMXn纤维毡的制备
分层导电网络可以有效增强EMA性能。为了实现rGMAXn纤维的分层设计，团队在前驱体纤维上原位合成MAX相，并原位蚀刻以分离MXene纳米片。详细制造过程包括三个主要步骤：前驱体纤维的纺丝和冷冻干燥、热处理（MAX相原位合成）和原位化学蚀刻。
图2 rGMAXn-m纤维毡和rGMXn纤维毡的微观形貌
在热处理过程中，GO的还原反应使得纤维的体积发生收缩，形成“柱状仙人掌”的独特形貌。且由于初始态的GMAXn纤维中的金属颗粒被包裹在GO片层中或由分子间作用力而吸附在GO片层表面，这导致金属元素在熔融盐浴中的自由程大大降低。因此，在MAX相生长的初期，金属元素是局部过量的，在熔融盐浴中，MAX相优先在金属颗粒的周围生成，因此形成类球状的MAX相。由此，rGMAXn纤维形成“布满MAX相球的柱状仙人掌”状多孔纤维结构。
原位刻蚀后，纤维表面的MAX相并没有因原位刻蚀而剥离，这是由其生长机制决定的，TiCx过渡层在HCl/LiF体系中能够保持稳定，而MAX相中的Al层则被选择性去除。MXene片层彼此分离，并垂直锚定在骨架上。MAX相球转变成MXene花簇，并得到“布满MXene花簇的柱状仙人掌”状多孔纤维结构。
图3 rGMAXn-m纤维毡和rGMXn纤维毡的电磁吸波性能
可以发现，随着MXene（MAX相）含量的增加或填充含量的增加，复合材料的RL平均值和EAB平均值存在极大值，这说明rGMXn纤维（rGMAXn纤维）复合材料存在最佳的填充含量和MXene（MAX相）含量以同时满足宽频、高效的电磁波吸收。相比之下，本文制备的rGMX10纤维织物复合材料在无磁性粒子掺杂的情况下，以较低的纤维填充含量（10 wt%）下，在测试频段（2–18 GHz）内表现出优异的电磁吸波性能：最佳吸波峰值为54.4 dB（厚度为1.53 mm）和5.31 GHz的有效吸收频带（厚度为1.79 mm）。
哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室为论文第一完成单位，哈工大苏州研究院为共同完成单位。哈工大博士研究生刘宗林为论文的第一作者，彭庆宇教授、薛福华副研究员为论文共同通讯作者。该研究工作获得了国家重点研发计划的支持。
论文链接：https://doi.org/10.26599/NR.2025.94908053
文稿：秦杨一，责任编辑：孙铭锌，审核：王艺衡
