研究背景

随着通信技术和高频电子设备的快速发展，电磁干扰(EMI)和辐射污染越来越严重，这不仅影响了精密器件的运作，还给人们带来了不利的健康问题，因此EMI屏蔽材料备受关注，以有效解决这一严重问题。EMI屏蔽材料的应用在未来可能会扩展到更复杂的实际场景和领域，传统单一功能的EMI屏蔽材料很难满足当今实际应用的要求，迫切需要开发多功能集成的EMI屏蔽材料。

Carbon Nanofiber/Polyaniline Composite Aerogel with Excellent Electromagnetic Interference Shielding, Low Thermal Conductivity, and Extremely Low Heat Release

Mingyi Chen, Jian Zhu, Kai Zhang, Hongkang Zhou, Yufei Gao, Jie Fan*, Rouxi Chen*, Hsing-Lin Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 80

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01583-2

本文亮点

1. 以电纺高强度碳纳米纤维为气凝胶支架，通过聚苯胺(PANI)种子生长形成核壳结构纤维，同时将碳纳米纤维连接成稳定的导电网络，实现了聚苯胺在碳气凝胶中的高负载。

2. 碳基材料与PANI等导电聚合物的结合显著提高了屏蔽性能，实现了84.5 dB和791.2 dB·cm³·g⁻¹的电磁干扰屏蔽性能。最高热释放率PHRR降低65.8%，导热系数为0.104 W·m⁻¹·K⁻¹。

内容简介

在这项工作中，南方科技大学王湘麟/陈柔羲、天津工业大学范杰等人合成了具有卓越阻燃性、隔热性和高电磁屏蔽性能的碳纤维基气凝胶。以电纺聚双苯并咪唑二酚二酮(BBB)衍生碳纤维为气凝胶骨架，添加聚苯胺纳米颗粒，诱导更多的苯胺在气凝胶内部原位聚合，形成了聚苯胺(PANI)高负载的碳纤维气凝胶，有效利用PANI桥接整个导电网络，增强三维网络的结构稳定性及导电性。优越的结构设计使CP-3@APNI气凝胶具有高电导率(199 S·m⁻¹)和优良的EMI屏蔽效果(85.4 dB)。同时，在本工作中，将阻燃效率高的植酸(PA)巧妙掺杂，实现三元协同阻燃，CP-3@APNI的PHRR和THR分别低至7.9W·g⁻¹与0.58kJ·g⁻¹。该研究表明，CP-3@APN气凝胶在建筑保护层、军事、电子和工业领域具有巨大的应用潜力。

图文导读

I 碳纳米纤维气凝胶与复合气凝胶的制备过程

图1展示了聚双苯并咪唑二酚二酮(BBB)衍生碳纳米纤维膜和复合气凝胶的制备过程。将制备的气凝胶浸泡在含有PA和APS的ANI溶液中进行原位聚合，原位聚合的PANI覆盖在碳纤维表面，同时在碳纳米纤维之间建立了有效的连接，形成了稳定结构的导电三维网络结构。

图1. (a)BBB纳米纤维及其衍生碳纤维膜的制备示意图；(b)CP-3@PANI气凝胶的制备示意图；(c)氧化聚合后产物的化学结构；(d-e)CP-3@PANI气凝胶的光学照片。

II 化学结构和纳米纤维形态

冷冻干燥工艺是构建材料轻质多孔结构的有效途径，SEM图反映碳纤维气凝胶(CFA)具有蓬松的三维网络结构，纤维表面保持光滑。将复合气凝胶浸泡在苯胺溶液中，PANI沿着碳纳米纤维原位生长，PANI能覆盖在碳纤维表面，形成核壳结构。

图2. (a) CFA气凝胶照片与不同倍数SEM图；(b) CP-1气凝胶照片与不同倍数SEM图; (c) CP-1@PANI气凝胶照片与不同倍数SEM图;(d) CP-3@PANI气凝胶的照片与不同倍数SEM图；(e) CP-3@PANI气凝胶的TEM图。

III 复合气凝胶的物理特性

图3所示，CFA的拉曼光谱在一级区域的1350 cm⁻¹(D波段)和1590 cm⁻¹(G波段)出现了碳材料的两个特征峰。气凝胶加入PANI后，这两个峰都变宽了。PANI四个峰特征值均出现在所有杂化气凝胶的拉曼光谱中，尤其在聚合后的气凝胶中会更加明显。XRD光谱显示，随着混入PANI含量的增大，核壳结构气凝胶的2θ向25移动，这意味着气凝胶上负载的PANI量增加。电阻随着温度的升高而大幅降低，表明CP-3@PANI气凝胶存在NTC效应。

图3. (a) CFA, PANI粉末, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI, and CP-3@PANI气凝胶的拉曼光谱；(b)CFA, CP-3, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI and CP-3@PANI气凝胶的XRD曲线；(c) CFA和CP-3@PANI的XPS光谱；(d)CP-3@PANI的C 1s光谱；(e)CP-3@PANI的N 1s光谱；(f)PANI-P粉末, PANI粉末, CFA 和CP-3@PANI的TGA曲线；(g)不同气凝胶的电导率；(h)CP-3@PANI与LED灯连接的照片；(i)CP-3@PANI的温度/电阻变化率曲线；(j)CP-3@PANI在火焰中与LED灯连接的照片。

IV 复合气凝胶的电磁干扰屏蔽性能与屏蔽机理

图4所示，加入PANI后气凝胶的SET值增加，说明碳纤维与PANI具有协同作用。随着PANI晶种含量的增加，核壳结构气凝胶的SET值呈显著上升趋势，这是因为PANI提供的导电网络路径对电子跳跃有很大贡献，从而提高了材料的整体EMI屏蔽性能。同时，骨架网络中的介孔结构有助于入射电磁波发生多重反射和散射。

图4. (a)不同气凝胶在X波段的SET值；(b)不同气凝胶在X波段的SER值；(c)不同气凝胶在X波段的SEA值；(d)不同气凝胶在X波段的平均SET、SER、SEA值；(e)不同气凝胶在X波段的R、T、A值；(f)不同厚度CP-3@PANI的电磁干扰屏蔽性能；(g)不同酸掺杂CP-3PANI的电磁干扰屏蔽性能；(h)不同气凝胶的皮肤深度；(i)本次工作与其他气凝胶SE/d值的对比。

图5. (a)纯纳米纤维素气凝胶未屏蔽电磁波信号;(b)CP-3@PANI有效屏蔽电磁波信号;(c)CP-3@PANI的电磁干扰屏蔽机制，包括入射、反射、吸收和透射电磁场。

V 复合气凝胶的隔热性能与阻燃性能

得益于三维多孔结构，CP-3@PANI导热系数为0.104 W·m⁻¹·K⁻¹。掺杂PA的PANI是非常好的阻燃材料，因磷含量较高的分子可以提供更多的活性阻燃原子，PANI加入后，CP-3@APNI的PHRR和THR分别低至7.9W·g⁻¹与0.58kJ·g⁻¹，相比纯碳纤维气凝胶，降低了65.8%和63.6%，表现出安全的防火屏障能力。  

图6. (a) CFA, CP-3, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI和CP-3@PANI气凝胶的热红外图像；(b)CFA, CP-3, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI和CP-3@PANI气凝胶放置在300℃加热平台的表面温度-时间曲线；(c)CFA, CP-3, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI和CP-3@PANI气凝胶的导热系数与密度。 

图7. (a)石棉网与CF-3@PANI的隔热性能对比；(b)CFA, CP-3, CFA@PANI, CP-1@PANI, CP-2@PANI和 CP-3@PANI气凝胶的实际燃烧的数码照片；(c)HHR曲线；(d)THR曲线。

VI 结论

通过简单的静电纺丝技术及冷冻干燥工艺策略，成功构建了一种具有优异的EMI屏蔽、隔热和阻燃性能的多功能集成式核壳气凝胶。优越的结构设计使CP-3@APNI气凝胶具有高电导率和优良的EMI屏蔽效果。同时，将阻燃效率高的PA巧妙掺杂，实现三元协同阻燃，气凝胶表现出安全的防火屏障能力。

作者简介

王湘麟

本文通讯作者

南方科技大学 讲席教授

▍主要研究领域

主要研究有机聚合物材料的制备和有机无机复合材料在锂离子电池、钙钛矿太阳能电池、生物成像和生物传感器上的应用。

▍个人简介

南方科技大学材料科学与工程系讲席教授，深圳市重点实验室副主任，广东省重点实验室学习委员会主任，材料基因大装置制备平台主任。以作者及共同作者在Science, Nature Nanotechnology, PNAS, Journal of the American Chemical Society, Chemical Society Review, and Advanced Materials等国际权威学术期刊上发表论文200多篇，被引次数超过14700次，H-Index为58。

▍Email：wangxl3@sustech.edu.cn

陈柔羲

本文通讯作者

南方科技大学 副教授

▍主要研究领域

主要从事功能性纳米纤维的制备机理与应用研究。

▍个人简介

南方科技大学材料科学与工程系与创新创业学院副教授/副研究员，硕士生导师。近年来致力于基于材料基因思想，发展功能性纳米纤维的高通量制备平台，并开展在核电军工、环境过滤、特种防护、医用敷料和能源电池方面的应用，相关研究成果已发表学术论文50余篇，申请专利50余项。

▍Email：chenrx@sustech.edu.cn

范杰

本文通讯作者

天津工业大学 教授

▍主要研究领域

主要研究方向包括纤维与纤维集合体多孔介质热湿传导及分形仿生织物热湿舒适性，天然角蛋白纤维再生生物材料的制备及应用研究。

▍个人简介

天津工业大学教授，博士生导师。在相关领域发表学术论文40余篇，已获授权发明专利13项。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金青年基金，天津市自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目、天津市高等学校科技发展基金项目、中国博士后科学基金特别资助项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助计划项目等多项国家级和省部级项目。获得中国纺织工业联合会科学技术二等奖，入选天津市高校2019年度“131”创新型人才培养工程第一层次人选，天津市高校“中青年骨干创新人才”培养计划。

▍Email：fanjie@tiangong.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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