DOI：10.19817/j.cnki.issn.1006-3536.2026.01.014
随着5G时代的到来，电子设备的应用日益广泛，导致了严重的电磁辐射问题，电磁辐射威胁人类的健康，影响精密电气设备的运行和使用寿命。为解决电磁辐射问题，能够将电磁波辐射转化为热能或其他形式能量的吸波材料受到广泛关注。碳纤维（CF）因高电导率、低密度、结构耐久性及热稳定性而得到广泛应用。然而，CF单独用作吸波材时，往往难以达到最佳性能，这主要归因于其极高的介电常数及较低的磁导率，以及反射损耗不足。因此，CF等碳材料通常要与磁性材料（如磁性金属和氧化物等）结合。
将磁性材料与具有出色介电特性的CF相结合，是增强电磁波吸收的有效策略。碳纤维基磁性复合吸波材料是将CF的大比表面积与磁性纳米颗粒的磁性结合起来，额外的磁损耗和可调节的阻抗匹配使得复合吸波材料能够在宽频率范围有效吸收电磁波。此外，碳纤维基磁性复合吸波材料因轻量化和柔韧的特点，有望成为新一代轻量化电磁波吸收材料的研究热点。笔者综述了碳纤维基磁性复合吸波材料的研究进展，指出了碳纤维基磁性复合吸波材料面临的挑战并展望了其未来发展前景。
1
为了满足电磁干扰屏蔽技术的要求，电磁波吸收材料在雷达定位、无线通信、电磁污染防护等方面的应用备受关注。根据吸波机理电磁波吸收材料一般分为介电材料、电阻材料和磁性材料。常见的碳基介电材料包括CF、石墨烯、碳纳米管（CNTs）、过渡金属碳氮化物ink-id="link-1770195546094-0.5113253611406163">MXene、生物质和石墨二炔；电阻材料如聚吡咯（PPy）和聚苯胺导电聚合物；磁性材料包括铁氧体和磁性金属纤维。其中，碳基介电材料因强大的介电衰减能力而导致多重极化损耗，因而具有优异的电磁波吸收性能。碳基介电材料因高导电性、低密度、结构耐用性和热稳定性而得到广泛应用。将磁性材料添加到碳材料中制备的复合材料，不仅能够调整阻抗匹配，还能带来磁损耗机理。同时复合材料还具有轻质灵活的特点，有望成为新一代轻质电磁波吸收材料。
当电磁波与吸收材料相互作用时，入射能量由三部分组成，包括反射能量、吸收能量和透射能量，电磁波吸收的主要目标是使反射波的强度最小化。
电磁波吸收材料的反射损耗（RL）一般应小于10 dB，即吸收效率约为90%。RL值越低，电磁波吸收性能越强。阻抗匹配系数和衰减系数是一组相互依赖的参数，用于协同评价材料的吸波能力。如果材料的阻抗匹配（Z值）在0.8⁓1.2之间，则进入材料的电磁波将被吸收得更多，而不是被反射。衰减系数用于评价材料对内部电磁波的衰减能力。
2
传统磁性金属由于具有磁性损耗能力引起的衰减特性，在电磁波吸收中得到广泛应用。由于磁损耗和介电损耗的协同作用，介电和磁性复合材料具有增强的微波吸收性能，在CF上加载磁性金属以提高其吸收电磁波的性能是近年来研究的热点。吸波材料通常容易磨损且价格昂贵，利用回收的废旧材料制备吸波材料一种经济的方法。
为实现入射电磁波的有效衰减和吸收，可以通过合理控制材料的形貌和微结构来有效调节吸收器的电磁参数和阻抗匹配。具有纳米尺度和特殊微结构的碳/磁性金属复合吸波材料有望成为解决电磁波污染问题的高效微波吸收材料。
掺杂磁性金属的CF通过引入磁性组分能够有效增强磁损耗特性，但阻抗失配问题仍然是其面临的主要挑战。金属氧化物具有较高的磁导率和介电常数，因而在改善阻抗匹配方面具有重要潜力。目前，用于电磁波吸收的金属氧化物主要包括铁氧体类材料、半导体类材料及其他金属氧化物。铁氧体具有铁磁性、低电导率、低反射损耗、高频等特点。
近年来，生物质碳材料因可再生性、低成本、来源丰富和环保特性，在高分子材料领域受到广泛关注。以生物质纤维为代表的CF，能够有效保持其原有的多层多孔结构，这为微波吸收提供了有利条件。此外，生物质纤维衍生的碳材料可能保留部分原始元素，形成杂原子掺杂，这有助于提升其介电性能。除了铁氧体，其他金属氧化物也被广泛用于电磁波吸收。ZnO是较早应用于电磁波吸收的材料，其独特的多孔结构以及碳与ZnO之间形成的异质界面，有效促进了微波的散射和多次反射。
随着科技的发展，金属氧化物/碳纤维复合吸波材料正受到越来越多的关注。铁氧体复合吸波材料的研究尚处于起步阶段，未来的发展应关注以下几个方面：(1)设计具有新型结构的铁氧体吸波材料，进一步探讨材料结构对吸波性能的影响及其与综合性能之间的关系。(2)研究铁氧体复合吸波材料的协同机理与吸波机理，制备具有“薄、轻、宽、强”特性的复合吸波材料。(3)提升铁氧体复合吸波材料对极端环境的适应性及环境友好性。
金属-有机框架(MOF)材料是一类由过渡金属离子与有机配体自组装形成的周期性具有网状结构的晶体多孔材料。MOF衍生物不仅与碳材料具有良好的结合力，而且MOF框架中可调节的孔径和丰富的开放金属位点，能够显著改善阻抗匹配性能。沸石型咪唑盐骨架(ZIF)是由咪唑配体与Zn(II)或Co(II)反应制备的类沸石型MOF材料。ZIF具有更丰富的通道结构，理论上应用于电磁波吸收具有更好的性能。
尽管MOF/碳纤维复合吸波材料展现出较大应用潜力，但仍面临挑战。首先，MOF材料的制备通常需要使用有毒溶剂和苛刻工艺条件；其次，MOF/碳纤维复合吸波材料的吸波剂主要由铁、钴、镍等高密度金属组成。最后，复合吸波材料的化学组成较大程度上依赖于MOF前驱体的调控，且重金属成分常导致较高的填料负载。尽管相关研究取得了一定进展，但MOF/碳纤维复合吸波材料的实际应用仍较少，主要受限于大规模生产的挑战。因此，需开发工艺简单、能够批量制备且具备优良吸收性能的MOF/碳纤维复合吸波材料，以满足市场需求。
金属氮化物是通过氮原子填充金属晶格中的空隙而制备的一类材料，氮原子在硬度、导电性和化学稳定性等方面表现出与金属相似的特性。氮化钛(TiN)作为一种独特的半导体材料，具有高稳定性和低密度等优点，相较于其他金属氮化物更具应用潜力。此外，TiN的缺陷可引发磁损耗，从而促进电磁波协同衰减。作为一种应用广泛的陶瓷材料，氮化硼(BN)常被用作吸波材料的保护涂层，但通常需要与其他磁性粒子复合以提供磁损耗机理。
3
碳纤维基磁性复合吸波材料结合了CF与磁性颗粒的独特优势，兼具良好的磁损耗和介电损耗，从而实现了出色的阻抗匹配。此外，复合材料中丰富的异质界面可以增强界面极化和弛豫效应，同时增加对电磁波的散射。磁性金属/碳纤维复合吸波材料因高磁导率和多重损耗机理，可实现高效宽带吸收，但稳定性差、易氧化的缺点限制了其长期应用；金属氧化物/碳纤维复合吸波材料凭借优异的化学稳定性和温度耐受性，在恶劣环境中表现出色，但是其吸收效率受限于单一的损耗机理；MOF/碳纤维复合吸波材料因多孔结构和形貌可调的特性，在轻量化设计与功能集成中具有独特优势，但复杂的合成工艺增加了成本；其他无机化合物/碳纤维复合吸波材料则通过引入特定功能(如光催化、耐腐蚀），实现了多场景应用，但其吸波性能有待优化。
未来碳纤维基磁性复合吸波材料的研究应着眼于多组分复合体系的协同机理，深入解析材料界面相互作用对吸波性能的影响，从而实现吸波性能的最优化。在制备方面，开发绿色简便的合成工艺，减少有毒试剂的使用，提升材料制备的环保性。通过优化复合材料的形貌结构构建和调控磁性组分在CF中的分布，拓宽吸波频带范围，改善低频波段的吸波性能。此外，为满足极端环境下的应用需求，应开发同时具备耐酸碱腐蚀性、高温稳定性以及吸波性能优异的材料体系，为深海探测及强腐蚀条件下的电磁防护提供技术支撑。