苏苏宝|王新宇|于洪涛|叶嘉颖|易阮
宁波大学科学技术学院农业种质资源挖掘与环境调控重点实验室，中国宁波315300
**摘要**
日益严重的电磁污染问题推动了人们对轻质且可持续的微波吸收材料（MAMs）的需求。生物质衍生碳（BDC）材料凭借其低成本、可再生性、可调孔隙率和环保性等优势，成为有前景的候选材料。本文系统总结了基于BDC的微波吸收材料在结构设计和复合材料工程方面的最新进展。首先，结构设计利用生物质固有的层次孔结构、二维层状结构和一维纤维框架来构建微纳结构，从而引发多次反射、散射和界面极化现象，并利用生物质自身的杂原子实现原位掺杂，增强极化损耗能力。其次，复合材料工程将生物质前驱体与磁性或介电组分结合，不仅可以构建异质系统并丰富损耗机制，还能协同优化阻抗匹配。此外，基于BDC的MAMs独特的结构特性使其成为多功能集成的理想选择，具备红外隐身、隔热和吸音等多种功能。本文旨在为基于BDC的MAMs的研究提供系统的理论框架和技术参考，促进这种绿色材料系统在电磁防护和隐身技术中的实际应用。
**引言**
材料科学的评价标准正从传统的合成和功能属性转向对内在结构属性和环保性的全面评估。这一转变在基于生物质衍生碳（BDC）的微波吸收材料（MAMs）的研究中尤为明显[1]：它利用生物质的精细微观结构实现高效的电磁损耗，同时利用生物废弃物作为前驱体实现资源化利用[2]。目前开发的MAMs可根据其主要损耗机制分为磁损耗型（铁氧体、磁性金属）、介电损耗型（非磁性金属氧化物、导电聚合物、MXenes、碳基材料）和介电-磁协同型材料[3][4][5]。铁氧体和金属微粉在室温下表现出良好的磁损耗，但其高密度、低居里温度和较差的耐热氧化性严重限制了其在苛刻条件下的应用[6]。介电材料主要在外加电磁场下表现出极化响应和导电响应[7]。然而，单一组分的导电聚合物主要以介电损耗作为微波吸收机制，但其吸收频带相对较窄[8]；MXene具有独特的层状结构，但其制备过程涉及有害的酸蚀刻，且材料本身容易发生层间堆叠[9]。磁-介电复合策略有望通过协同效应优化阻抗匹配，但传统复合系统常受组分分散不均和工艺复杂性的限制[10]。其中，碳基MAMs因其轻质、可调电性能和良好的化学稳定性而受到广泛关注，具有“薄厚度、轻重量、宽带宽和强吸收”等综合性能潜力。尽管如此，纯碳材料通常以介电损耗为主导的单一损耗机制为限，限制了阻抗匹配和吸收效率的进一步提升。为克服这一限制并扩展损耗途径，已开发出多种有效策略：（1）杂原子掺杂引入偶极极化和缺陷诱导极化；（2）异质界面工程产生界面极化[11,12]；（3）层次多孔结构促进多次反射和散射[13]；（4）通过控制碳化工程调整空位和边缘位点的浓度，增强偶极极化[14]；（5）引入磁性相（Fe、Co、Ni或其合金）直接引入磁损耗，实现介电-磁协同[15,16]。值得注意的是，源自木材[17]、丝瓜络[18]、灯心草[19]、玉米芯[20]或柚子皮[21]等前驱体的BDC材料，凭借其固有的层次多孔、纤维状或层状骨架，可被视为自然选择的理想模板，为调节电磁波的能量传输和耗散提供了天然微观结构基础。这种自然结构在微波吸收领域的应用标志着研究策略从传统的人工合成和重组转向对现有精细结构的调控和利用。
关于生物质衍生的MAMs，当前研究明显分为两条并行且相互交织的技术路径，共同构成了性能突破的核心策略。
**策略1**：基于生物质固有形态的结构工程设计。这种策略不仅仅是简单的形态模仿，而是对生物质天然精细结构的选择性继承和精确调控。例如，从原材料中继承的各种氮、氧等杂原子以及大量的悬挂键和表面吸附的功能基团共同作为极化中心[22]，有效增强介电损耗，从而提高材料的电磁波吸收性能。受木材启发的多孔碳层次结构具有从纳米到毫米尺度的孔系统，这些孔并非随机堆叠，而是形成了电磁波的“迷宫”。通过引发多次反射和散射，大大延长了电磁波的传播路径，增强了能量耗散[23][24][25]。此外，借鉴仿生学或超材料设计概念，研究人员可以在碳化生物质支架内人工构建宏观周期性结构，从而精确调控电磁响应[26,27]。
**策略2**：性能协同和功能集成的混合策略。单一碳相的介电性能往往导致阻抗不匹配和单一损耗机制。因此，引入第二相（如Fe3O4[28,29]或高介电常数陶瓷MnO2[30,31]）是构建多组分混合系统的有效策略。磁性组分不仅提供磁损耗，还在调节整体阻抗匹配和改善低频吸收性能方面发挥关键作用。同时，引入的次级相可以创建异质界面，有效促进界面极化，从而多样化和增强电磁波损耗机制[32,33]。先进的研究已超越单纯的微波吸收能力，开发出具有抗菌[34]、疏水[35]和隔热[36]等多功能特性的复合材料。这代表了该领域的范式转变，使其从单纯关注“性能优化”转向面向实际应用场景的“功能集成”新时代。
为了全面分析BDC材料的微波吸收性能，有必要研究几种关键机制，如传输线理论、四分之一波长理论、极化松弛、导电损耗、阻抗匹配等。这些机制将在下文中详细讨论，以提供更深入的见解。
**（1）传输线理论**
在MAMs中，传输线理论为提取电磁参数和评估反射损耗提供了基础。使用双端口配置的矢量网络分析仪（VNA）同时测量散射参数S11（反射）和S21（透射）。由此可推导出复介电常数（εr = ε′ – jε″）和复磁导率（μr = μ′ – jμ″）作为频率的函数。实部（ε′, μ′）代表能量存储，虚部（ε″, μ″）代表能量耗散[37]。对于金属背衬的吸收体，空气-吸收体界面的输入阻抗（Zin）由公式（1）给出：
Zin = Z0μrεrtanh(j2πfdcμrεr)
其中Z0 = 377 Ω是自由空间阻抗，εr、μr、f、d、c分别代表相对复介电常数、相对复磁导率、频率、厚度和光速。反射损耗则通过公式（2）计算：
RL(dB) = 20lg|Zin − Z0|Zin + Z0
Zin和Z0分别表示自由空间和吸收体的阻抗。为了实现最大吸收，必须实现良好的阻抗匹配（Zin ≈ Z0）。
**（2）四分之一波长理论**
四分之一波长理论指出，当吸收体厚度等于材料内部波长的奇数倍时，前后界面的反射波会发生破坏性干涉，从而最小化整体反射。因此，材料厚度可表示为公式（3）：
tm = nc4fm|εr||μr|
（n = 1, 3, 5⋯）
其中tm是匹配厚度，匹配频率（fm）从反射损耗与频率的关系图中获得，即最大吸收峰出现的频率。这种行为源于三个方面：（i）吸收体内的波速降低，缩短了满足四分之一波长条件所需的物理厚度；（ii）两个界面之间的多次反射产生半个波长的累积路径差；（iii）吸收体作为阻抗变压器，四分之一波长厚的层将金属背板的短路阻抗转换为接近自由空间的值，从而增强阻抗匹配和波穿透[38]。
**（3）阻抗匹配**
当电磁波照射到材料表面时，会发生反射、吸收和透射三种现象。为了实现有效衰减，微波应尽可能完全穿透材料。阻抗匹配系数（Z）由公式（4）给出，用于量化波进入吸收体的程度：
Z = Zin / Z0 = μrεrtanh(j2πfdcμrεr)
根据阻抗匹配理论，当Zin等于Z0时，达到完全匹配。在这种情况下，入射电磁波不会发生反射，可以完全穿透吸收体。
**（4）衰减常数**
衰减常数（α）是衡量电磁波在介质中传播时振幅每单位距离减小的量[40]。它表示电磁波在传输过程中的功率衰减程度，表明材料衰减微波辐射的能力，并阐明吸收体将电磁能转换为热能的能力。该参数的值可通过公式（5）获得：
α = 2πfc(μ″ε″ − μ′ε′) + (μ″ε″ − μ′ε′)² + (μ′ε″ + μ″ε′)²
**（5）介电损耗**
BDC材料中的介电损耗主要来源于界面极化、导电网络、缺陷诱导极化和偶极松弛过程[41]。具体而言，碳化导电网络实现强导电损耗；丰富的缺陷和残留杂原子（O、N、P）作为极化中心，增强缺陷诱导极化和偶极松弛；多孔结构促进多次反射，进一步贡献于界面极化。
**（6）磁损耗**
在BDC材料中，磁损耗主要来源于通过改性或掺杂引入的磁性组分。主要机制包括铁氧体的自然共振和交换共振，以及磁性合金和导电碳网络产生的涡流损耗[42]。然而，最近的研究表明，未经铁磁掺杂的纯碳材料也能产生显著的磁损耗。某些碳样品中观察到的高频介电常数共振峰归因于未配对电子以及通过极化和电荷电路形成的准天线、磁场和介电常数特性[43]。
MAMs通常由传输电磁波的基体和吸收电磁波的吸收剂组成。石蜡是MAMs研究中常用的测试基体材料之一。由于石蜡蜡的介电常数和磁导率较低，复合材料的（MA）性能主要归因于吸收填料[44]。微波吸收填料通常均匀分散在石蜡蜡中，并制成同轴环或矩形波导样品，以准确表征其电磁参数。此外，石蜡的作用不仅限于此。在复合系统中，石蜡含量的变化会直接影响填料的有效浓度和分散状态，从而调节复合材料的电磁参数和微波吸收性能[45,46]。在实际工程应用中，MAMs需要满足成型、承载、耐候性、柔韧性等要求，因此需要根据具体应用场景选择不同类型的基体材料。根据其物理状态、加工特性和功能导向，这些基体材料可分为五类：弹性体基体、热塑性基体、热固性基体、无机水泥基体和凝胶基体。选择特定基体是基于其独特的性能优势，以满足MAMs在不同应用场景中的功能需求。弹性体基体主要包括硅橡胶[47]和聚氨酯[48]，其优异的柔韧性和变形适应性适用于可穿戴设备、柔性贴片和曲面粘合等场景。对于硅橡胶，引入功能性填料不仅增强复合材料的机械强度，还提高其电导率和热稳定性[49,50]。聚氨酯通过发泡过程形成多孔结构，从而降低了复合材料的有效介电常数，改善了阻抗匹配，进而抑制了电磁波的反射[51]。热塑性基体包括热塑性聚氨酯[52]、聚苯乙烯[53]、聚丙烯[54]、聚甲基丙烯酸甲酯[55]、聚对苯二甲酸乙二醇酯[56]、聚偏二氟乙烯[57]、聚乙烯[58]、聚丙烯腈[59]等，它们优异的加工性能使得可以通过熔融挤出、注塑成型、薄膜浇铸和3D打印等方式实现大规模生产。例如原始的聚丙烯[54]和聚甲基丙烯酸甲酯泡沫[60]是低损耗材料，具有较弱的电磁损耗能力，这有助于降低复合材料的整体介电常数，形成良好的阻抗匹配条件，并减少电磁波在材料表面的反射。作为基体材料的聚乙烯比大多数橡胶具有更好的热稳定性，可以使吸波器在更高温度下工作；同时，它密度低且质地柔软，当与活性炭黑填料结合时，可以实现轻量化和柔性的吸波性能[58]。热固性基体以环氧树脂[61]和酚醛树脂[62]为代表，不饱和聚酯[63]也属于这一类别。其优异的机械强度、尺寸稳定性和耐热性使其成为结构功能一体化吸波材料的理想基体。热固性树脂固化后形成三维（3D）交联网络，可用作承重结构部件，满足航空航天、造船和军事设备对一体化结构和功能吸波材料的需求[64]。将环氧树脂与碳纤维[65]和中空玻璃纤维[66,67]等增强材料复合后，可以制备出既具有机械承载能力又具有其他功能的复合层压板。无机水泥基体包括水泥[68]、石膏灰泥[69]和砖块[70]。它们的高机械强度、耐久性、成本优势以及与建筑项目的兼容性，使其在建筑物的电磁防护领域具有独特的价值[69,70]。水泥具有轻微的导电性且吸收能力较差，但通过引入填料或负载可以改善其电磁吸收性能[68]。由于石膏的固有特性，该材料同时具备优异的红外吸收[69]、隔热和隔音性能[71]。选择这些介质反映了吸波材料从功能器件向建筑材料扩展的发展趋势。凝胶基体包括水凝胶[72,73]、有机凝胶[74]和离子凝胶[75]，由能够保持大量液体同时保持三维层次结构的交联聚合物网络组成。凝胶及其衍生材料具有可调组成、可控的离子/电子导电性、高透明度和结构灵活性等独特功能，适用于各种应用中的长期性能和多功能性[76]。它们的吸波行为因类型而异：水凝胶由于其高极性而表现出强烈的极化损耗；像甘油和乙二醇这样的有机溶剂含有强电负性的羟基，能够形成氢键和极化效应，从而在GHz频段产生极化损耗；离子液体则由于其分子液态结构和高离子导电性而表现出不同的损耗机制[74]。除了对吸波材料有益外，凝胶基体还可以赋予材料其他特性，例如崔等人开发的Ti3C2Tx/ZnS有机水凝胶表现出优异的机械性能、形状适应性、抗霜性和光热转换能力[77]。此外，通过膜转移制备的基于离子凝胶的多频段微波隐身超表面将吸波技术与红外隐身技术结合，表现出有效的自修复行为[75]。基体与吸波剂之间的相互作用可能存在，并会影响复合材料的微观结构和整体性能。这些相互作用以多种形式表现出来，并产生不同的影响。例如，聚苯乙烯作为吸波介质，通过静电相互作用（包括π到π*相互作用）增强填料的分散，从而抑制聚集并加强界面极化[53]。在基于聚丙烯酰胺（PAM）的复合材料中，PAM的N–H弯曲振动频率为1612 cm−1，在PAM–C–5和PAM–C–10中分别变为1608 cm−1和1602 cm−1。这种–CO–NH2吸收带的变化证实了PAM基体的酰胺基团与Co/C-MWCNT@PDA表面的N–H和O–H基团之间形成了氢键[78]。由于这些氢键相互作用以及制备过程中施加的磁场定向，填料的分散得到了增强[78]。对吸波剂的改性也可以影响其与基体的相互作用。例如，为了调整聚乙烯（PE）和氧化石墨烯（GO）之间的界面相互作用，使用了马来酸酐接枝的高密度聚乙烯（PE-g-MAH）来加强PE基体与GO颗粒之间的结合[79]。硅橡胶（SiR）基体通常是不导电的，但添加超过渗透阈值的导电微/纳米颗粒可以形成连续的填料网络，从而实现从绝缘体到导体的转变。此外，SiR基体与填料之间的强分子相互作用增强了热稳定性和耐热降解性。偶联剂可以进一步强化这些填料-基体相互作用并改善材料性能，而添加无机填料还可以降低整体成本[50]。总之，可以根据不同应用场景的功能要求选择合适的介质。这些介质的特性决定了复合材料的加工方法、机械性能、使用环境和吸波机制。系统地理解介质效应对于推动BDC电磁波吸收材料从实验室研究向实际工程应用的转化具有重要意义。
**结构工程设计基于生物质的内在形态**
基于生物质内在形态的结构工程设计是一种直接且高效的方法，用于开发高性能微波吸收器。这种方法充分利用了生物质前体所具有的独特微观结构和化学组成，如三维（3D）多孔网络、二维（2D）层状结构、一维（1D）纤维组装以及天然嵌入的杂原子。与依赖复杂方法来增强微波吸收不同，这种方法直接利用生物质本身的特性。
**基于结构工程设计的复合工程**
基于利用生物质内在形态的结构工程设计，通过引入异质功能组分来构建混合材料，是实现吸波性能突破和功能多样化的关键策略[135,172]。这一策略的核心在于克服纯BDC介电损耗的局限性，通过多种组分的协同效应，旨在优化阻抗匹配，丰富损耗机制。
**结论与展望**
本综述系统回顾了基于BDC的吸波材料设计和工程方面的最新研究进展。通过利用生物质前体的内在和多样化形态，结构工程方法成功构建了从天然三维多孔网络和二维层状框架到一维纤维组装的各种微结构。这些定制的结构具有丰富的界面、多个散射点和分级的阻抗特性，共同提升了材料的吸波性能。
**资金来源**
本工作得到了宁波市公益计划（项目编号2024S233；2025S012）和宁波市自然科学基金（项目编号2024J452）的支持。
**作者贡献声明**
Bao Susu：概念化、数据整理、形式分析、研究、初稿撰写、审稿与编辑。
Wang Xinyu：数据整理、研究、监督、验证、可视化、审稿与编辑。
Yu Hongtao：数据整理、研究。
Ye Jiaying：研究。
Ruan Yi：研究。
