纖維素基吸波和隱身材料的研究進展

摘要： 隨著信息技術的發展，電磁污染日益嚴重，為了能更好的吸收電磁波，提升戰斗機等軍事設備的隱身性能，吸波材料的發展越發重要。纖維素基吸波材料具有輕質柔韌、吸收頻帶寬、吸收強度高等優點，能夠同時滿足材料輕量化和對有效吸收電磁波的需求，是隱身材料的研究熱點。本文綜述了纖維素基碳質吸波材料和纖維素基復合吸波材料的研究進展，總結了纖維素衍生碳材料、纖維素基不同維度復合材料的制備方法、結構特點及其吸波性能。同時，探討了如何通過材料設計提升其吸波效率和阻抗匹配性能的方法，以滿足現代軍事裝備對隱身材料輕量化、高性能的需求，最后對其發展進行了展望。

關鍵詞：纖維素；纖維素基碳材料；復合材料；吸波和隱身材料

中圖分類號：TS72 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 020

隨著科學技術的發展，軍事防空體系日益完善，雷達探測和攔截能力顯著提升，因此戰斗機等軍事設備優異的隱身性能在復雜戰場環境中顯得尤為重要。戰斗機等軍事設備隱身能力的提高，可以通過降低雷達回波強度、紅外輻射信號、噪音等方式實現，其中雷達回波強度的有效降低對提高設備隱身性能尤為突出，因此吸波材料是隱身技術的關鍵材料之一[1-2]。吸波材料吸收電磁波的原理是通過吸收、衰減入射的電磁波，并將電磁能轉化為熱能或者其他形式的能量而被消耗掉，從而達到隱身的目的[1]。目前，軍事武器裝備中的吸波材料以傳統金屬材料為主，如鐵氧體[3]、金屬粒子[4]、合金[5]等，這些金屬材料雖然具有一定的吸波能力，但存在自身密度大、吸波頻帶窄和吸收效率低等問題，難以滿足軍事裝備輕質高效的需求[6]。因此，開發新型輕質柔韌、高效吸收電磁波的吸波材料成為當前的研究重點之一。

纖維素是自然界中分布最廣、含量最豐富的可再生資源之一[7]。近年來，隨著納米技術的發展，“厚度薄、質量輕、吸收頻帶寬、吸收能力強”的纖維素基吸波材料已被廣泛應用到吸波領域。直接將纖維素碳化可制備具有多孔網狀結構且吸波性能優異的纖維素衍生碳基吸波材料，將其與其他材料結合后可降低纖維素衍生碳本身存在的阻抗匹配差的問題[8-9]；同時，由于纖維素具有較大的長徑比、豐富的官能團、良好的生物相容性和易于加工改性等優點，其可以作為一種基質材料，與其他吸波材料復合后制備具有優異吸波性能的纖維素基復合吸波材料[10]。

綜上所述，纖維素基吸波材料具有質量輕、密度小、吸波能力強等優點[11]，能夠作為優異的吸波材料應用于航空航天、國防軍事等領域，以提升設備的隱身性能[12]。本文首先對不同纖維素原料進行了簡單介紹；其次，詳細闡述了不同纖維素衍生碳基材料及纖維素基復合材料在吸波能力方面的研究進展，并介紹了這些材料在提升軍事裝備隱身性能中的應用；最后，對纖維素基吸波和隱身材料的前景進行了展望和總結，以期為纖維素基吸波和隱身材料的后續研發與實際應用提供借鑒。

1 纖維素

纖維素是世界上含量最豐富的生物質資源，其中納米纖維素是纖維素中直徑lt;100 nm，長度可達微米級的纖維聚集體。不同提取分離方法可以獲得長度、形態均不同的納米纖維素，主要可以分為以下3類[13]：纖維素納米纖維（cellulose nanofibrils，CNF） [14]、纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNC） [15]、細菌纖維素（bacterial nanocellulose，BC） [16]。

CNF具有較高的介電常數和導電性，因此能有效吸收和衰減入射的電磁波，實現電磁波的高效吸收；CNF的高長徑比使其具有較大的比表面積，能夠增加電磁波與材料之間的接觸面積，更大范圍地吸收電磁波；此外，CNF具有密度低、強度高等特點，以其為原料制備的吸波材料具有質量輕、機械強度高的優勢[17]。

CNC 的晶體結構賦予其高結晶度和高彈性模量的特性，使得其在承受外部應力時能夠保持良好的穩定性。此外，CNC 的納米級尺寸會增大比表面積、提高界面效應，將CNC摻入吸波材料中可以提供結構支撐，從而提高材料的強度和剛度等性能，因此，CNC及其衍生復合材料正逐漸成為一種備受關注的吸波材料[18]。

BC不同于從天然植物中提取的CNC和CNF，由特定細菌提取而來[19]。BC 本身具有較高的結晶度、純度、孔隙率和優異的生物相容性，這些特性使形成的吸波結構更穩定，而且多孔結構可以讓電磁波在材料內部進行多次反射與吸收，吸波性能更好[20]。除了這些納米纖維素外，棉基碳纖維、竹基碳纖維等生物質原料均具有質量輕、孔隙多等特點，在電磁吸波材料制備中具有獨特的優勢[21]。

纖維素原料除了可以直接作為吸波材料應用于吸波領域外，由于其良好的生物相容性、易于加工改性和表面豐富的羥基等優點[22]，還可以作為基質材料與其他材料進行復合。當纖維素原料與其他導電材料復合后，可以通過協同效應增強材料的吸波性能，更好地發揮復合材料的優點，實現功能上的互補和優化。目前，纖維素原料已經被廣泛應用于紡織材料[22]、傳感材料[23]和吸波材料[24]等領域，具有廣闊的發展前景。

2 纖維素基碳質吸波及隱身材料

纖維素衍生碳材料具有輕質、良好導電性、頻帶吸收寬、化學穩定性好和環境友好等特點，可用于制備吸波材料[25]，在軍事裝備隱身、民用防電磁輻射等多個領域具有廣泛的應用前景。碳材料由于其多孔性質，一方面可以增強電磁波的吸收，另一方面可以有效降低吸波材料的質量[8]。但纖維素難以直接合成多孔結構材料，Pai等[8]研究發現，在對纖維素進行簡單處理后，即可以得到具有豐富孔隙結構的纖維素衍生碳基材料。其中，一些纖維素含量較高的生物質材料，如竹材、棉花、稻殼和細菌纖維素等逐漸成為制備纖維素基碳材料的重要的前驅體[21]。

以金屬有機骨架（MOF） 為原料，可以制備具有高孔隙率和良好分散性能的磁性納米顆粒，然而通過傳統方法機械混合MOF與CNF存在MOF顆粒團聚和顆粒-基質界面損傷的問題，不利于材料的磁化和電磁兼容性，從而降低電導率，影響電磁波的吸收，因此為制備優異的吸波材料，開發一種新型MOF和CNF復合方法尤為重要[27-29]。Qiao等[26]通過在CNF原位生長MOF的方法，構建了一種具有高度分散且緊密連接的MOF衍生磁性納米膠囊的可持續仿生多孔碳氣凝膠，合成過程如圖1所示。這種復合方法可以讓MOF顆粒均勻地依附在CNF壁表面，使多孔碳氣凝膠具有高界面連通性，極大地提高了材料的柔韌性、機械堅固性、導電性和電磁波吸收性能。在填充率為2.2%時，碳氣凝膠的有效吸收帶寬為6.0 GHz，最小反射損耗值為?70.8 dB。這種碳氣凝膠作為隱身材料，不僅具備優異的電磁波吸收性能，還具備良好的柔韌性和機械堅固性，從而可以應對復雜多變的戰場環境。

具有表面網絡結構的吸波材料可以降低材料密度、增大比表面積，從而有效提高材料的吸波性能。Liang等[30]通過碳化與濕化學工藝制備了Ni/CNF雜化氣凝膠，結構如圖2（a）所示。從圖2（a）可以看出，Ni/CNF雜化氣凝膠具有高長徑比的堅固網絡結構，極大地提高了材料表面對電磁波的吸收，在填料添加量為0.8%時，有效吸收帶寬為4.0 GHz，最小有效反射損耗值為?70.1 dB，具有優異的電磁波吸收性能。

BC作為生物質吸波材料，具有三維網絡多孔結構，有利于電磁波在內部的多次反射，從而增強吸波能力。然而，純BC導電率太大會使材料阻抗失衡，吸波性能難以提升[32]。因此，可以將BC與磁性或非磁性材料結合，提高復合材料的吸波能力。Xu等[31]將碳化后的BC與非磁性MoSe2結合，并根據生物仿生原理制備了蛛網狀碳化BC/MoSe2 （BCM） 和磷摻雜的BC/MoSe2 （PBCM） 納米復合材料，制備過程如圖2（b）所示。BC與MoSe2結合后，BC電導率可達適中狀態，從而改善阻抗失衡問題，提高材料的吸波能力，最小反射損耗值為?53.33 dB。由BC制備的吸波材料具有高孔隙率、低密度和優異電磁屏蔽能力的特點，滿足隱身材料的相關性能指標，為制備新型高性能隱身材料提供了一種策略。

MoS2具有優異的阻抗匹配性能，有利于提高吸波能力，但MoS2納米片易堆疊團聚，導致吸波性能較差[33]。BC表面含有豐富的羥基，為金屬離子的吸附提供了大量位點，碳化后BC的獨特多孔網絡結構，可以有效防止納米塊的堆疊，經過碳化和熱合成后可得到分層氣凝膠。Geng等[34]首先制備了具有三維互連多孔結構的BC衍生CNF，然后用原位生長法將二維MoS2納米片聯接到CNF骨架上，有效防止了MoS2納米片的堆疊團聚，得到二維MoS2納米片/三維碳納米纖維混合氣凝膠，在填料添加量為5% 時，有效吸收帶寬可達5.68 GHz，最小反射損耗值為?36.19 dB。

除了上述2種納米纖維素外，竹材、棉花等生物質材料中也含有較多的纖維素，通過碳化后可以得到多孔隙纖維素衍生碳材料[21]。竹子是生活中常見的一種植物，其生長速度快，易于加工，且含有較多的纖維素和一定量的半纖維素與木質素，在吸波領域展現出一定的應用潛力。

纖維素與木質素的含量與質量比會影響石墨化碳的微觀結構，通過控制纖維素和木質素的質量比，可以得到具有高結晶度的納米纖維、高密度缺陷的納米片或僅納米片的結構。而不同的結構則會影響材料的介電損耗能力和表面疏水性能，因此，可以通過調節纖維素與木質素質量比獲得不同微觀形狀的組合體，以得到吸波能力較強的材料[35]。Lou等[35]通過熱解竹基木質纖維素納米原纖維制備石墨化碳吸波材料，當纖維素與木質素質量比為8∶1時，可以得到高密度缺陷的納米片結構，此時吸波材料的有效吸收帶寬為4.2 GHz，最小反射損耗值為?51.0 dB，最低匹配厚度為1.95 mm。這種石墨化碳吸波材料在碳化時可以去除大部分的氧和氫，從而使材料表面具有高疏水性，在pH值為弱酸/堿性條件下仍可以保持較高的有效吸收寬帶，這也為高效隱身材料在真實環境中的應用提供了一種新方案。

竹材具有層狀梯度結構，其外層由硅層、碳層和維管束最密部分組成[36]，這種結構使材料難以浸入到竹材內部，因此在使用竹材前必須對其進行預處理。Yuan等[37]先將竹材進行纖維化，獲得比表面積較大、易浸漬的竹束，再把經乙醇/甲苯萃取后的竹束進行浸漬碳化，運用原位熱解技術制備竹基磁性生物質碳（FBMC），當浸漬濃度為0.04 g/mL時，FBMC材料電磁吸波性能最好，在匹配厚度為3 mm時，有效吸收帶寬為13.40 GHz，最小反射損耗值為?28.21 dB。在改善竹材難浸漬問題后，竹材的層狀梯度結構在電磁吸波方面有很大優勢，這種結構可以減少電磁波在材料表面的反射，使電磁波能夠更深入地進入材料并被吸收。Pang等[38]首先將竹材進行脫木質素處理，然后在900 ℃下將處理好的竹材浸漬在含有Fe3+和Co2+溶液中熱解，使FeCo在具有多孔梯度的碳骨架上均勻分布，避免了FeCo的聚集，從而制備竹源碳/FeCo復合材料， 制備過程如圖3（a）所示。在匹配厚度為1.9 mm 時，竹源碳/FeCo 復合材料有效吸收帶寬為4.7 GHz，具有卓越的吸波性能。因此，利用竹材加工廢棄物獲得具有較高吸波性能的隱身材料，能夠實現資源的充分利用和提高裝備隱身性能的雙贏。

棉花中纖維素含量接近100%，是天然纖維素來源之一，將棉花碳化后可以得到中空或多孔結構，中空化的碳材料在降低密度的同時還能提升電磁損耗機制，從而提高材料的吸波性能[39-41]。Fang等[42]采用具有中空結構的天然棉纖維作為碳源，與Co磁性顆粒結合，通過預處理和碳化工藝制備了空心多孔碳基磁性復合吸波體（PCMT/Co和CMT/Co），其中PCMT/Co為多孔微管結構，CMT/Co為微管結構，2種結構均能有效促進電磁波的多次反射與散射。當匹配厚度為1.4 mm時，PCMT/C的有效吸收帶寬為6.7 GHz，最小反射損耗值為?36.8 dB； CMT/Co 有效吸收帶寬為5.5 GHz，最小反射損耗值為?31.2 dB。這種中空結構不僅可以提高材料吸波性能，也可以有效降低材料質量，滿足現代隱身材料對質量和性能的需求，未來將會更廣泛地應用于航空航天、軍事領域等需要輕質隱身材料的領域中。

棉基碳纖維與BC類似，也存在抗阻匹配性能較差的缺點，除了可以將棉基碳纖維材料與磁性介質損耗材料復合外，許多研究者也采用非磁性介質損耗材料以提高抗阻匹配性能。Bi 等[28]利用聚吡咯（PPy）的高導電性、強穩定性、低密度、易于合成等優點，制備了Ni@Co/C@PPy復合材料，制備過程如圖3（b）所示。其中，Co/C與PPy能夠有效改善抗阻匹配性能，增強吸波能力，能夠在匹配厚度2.2 mm時，有效吸收帶寬達5.10 GHz，最小反射損耗值為?48.76 dB，具備良好的吸波性能。

3 纖維素復合吸波及隱身材料

纖維素衍生碳材料是一種良好的吸波材料，除此之外，纖維素還憑借天然可再生性、優異生物相容性和易于加工改性等特性，可以作為一種理想的基質材料與其他高性能吸波材料復合[10]。這些特性使纖維素能夠有效承載并分散其他吸波成分，從而優化復合材料的整體性能。

3. 1 纖維素基一維復合吸波及隱身材料

纖維素基一維復合材料屬于宏觀復合纖維的范疇。常用的一維碳納米材料具有高長徑比、良好穩定性等優點，但在實際應用中仍存在阻抗匹配差、易團聚等缺點[43-44]。Kong等[45]以BC轉化而來的CNF為基質材料，采取原位生長的方法在CNF表面生長無定形碳納米管（CNT），利用仿生原理制備了具有松葉層次結構的CNT/CNF電磁吸波材料。一方面松葉層次結構可以解決碳納米材料的團聚問題，另一方面CNT具有適中的導電性，不會導致阻抗失配，最終當CNT含量為63.2%時，CNT/CNF電磁波吸收材料的反射損耗值可達?68.2 dB，有效吸收帶寬為5.5 GHz，且匹配厚度僅為2.7 mm。仿生結構的設計為改善傳統一維材料的缺點，使吸波材料更好地應用在隱身技術中提供了新視角。

3. 2 纖維素基二維復合吸波及隱身材料

纖維素基二維復合吸波及隱身材料主要是柔性薄膜或紙張形式，薄膜相比于其他形狀的材料能更好的滿足吸波材料在國防軍事、航空航天中“更輕、更薄”的需要[24]。但薄膜在制備過程中如果處理不當，如機械應力過大、薄膜厚度不均勻或熱控制不當，會影響薄膜材料的機械強度、柔韌性等，因此，制備能保持材料優良特性的復合薄膜仍是一個巨大難題[46]。

石墨烯是一種二維碳材料，具有超高比表面積、輕薄柔韌、優異的力學性能和良好的電磁特性等顯著優點。Zhang等[46]將經堿處理的聚丙烯腈（aPAN） 納米纖維增強氧化石墨烯（GO） 復合薄膜結合，得到石墨烯-碳納米纖維復合薄膜（GCFs），由于在處理過程中形成了“微氣袋”的特殊結構，該薄膜顯示出優異的抗拉伸強度和柔韌性，且表現出極低的密度（0.678 g/cm3） 和高電導率（1.72×105 S/m）。薄膜形狀的吸波材料在保持較高吸收效能的同時，還可以有效降低隱身材料的質量，并且能夠更好地適應裝備的復雜形狀，是一種可廣泛應用的隱身材料。

MXene是一種具有類似于石墨烯的二維層狀結構的金屬碳/氮化合物，具有出色的導電性和介電損耗能力，同時其獨特的二維結構和豐富的表面官能團增強了電磁波的反射、散射和吸收能力，提升了整體的電磁波吸收效率[47]。但Qing等[48]研究發現，MXene過高的電導率會降低阻抗匹配，使表面反射增多，從而降低電磁波吸收能力。為解決上述問題，現在很多研究將MXene與高介電損耗納米材料復合，以滿足阻抗匹配，提升材料吸波能力。彭昊[49]使用簡單的真空輔助過濾MXene 和CNF 的懸濁液的方法制備CNF/MXene復合薄膜，通過烘箱風干和冷凍干燥2種方法進行干燥，最終可以得到仿珍珠層致密層狀結構和仿絲瓜瓤多層孔狀結構2種不同的微觀結構復合膜，通過磁性能評估發現，仿珍珠層結構的最低反射損耗值達?42.2 dB，有效吸收帶寬為7.12 GHz；仿絲瓜瓤結構的最低反射損耗值為?63.8 dB，并保持了7.35 GHz的有效吸收帶寬。MXene的高導電性使其成為吸波領域的研究熱點，將MXene 與生物質資源CNF 復合后，可以得到輕質柔韌的優異吸波材料，為提高裝備隱身性能提供了一種可實行方案。

3. 3 纖維素基三維復合吸波及隱身材料

纖維素基三維復合吸波及隱身材料一般為氣凝膠、泡沫或海綿材料，在吸波領域有廣泛應用。氣凝膠具有比表面積大、密度低、孔隙率高及相互連接的結構等優點，在輕質高效的吸波材料領域具有潛在應用價值。Li等[50]通過對稻殼進行900 ℃、4 h的高溫碳化和等離子體處理2個步驟，得到了碳氣凝膠，在3.68 GHz的有效吸收帶寬下，最小反射損耗值為?43.0 dB，雖然制得的吸波材料吸波性能較好，但需要較高的碳化溫度和較長碳化時間，制備過程中能源浪費嚴重。Ｈao等[36]通過將CNT/纖維素氣凝膠在550 ℃下碳化2 h，制備具有優異吸波性能的碳氣凝膠，碳化時間與碳化溫度大大降低，這是因為加入的具有高介電損耗的CNT可以保證在低溫碳化下制備的碳氣凝膠有理想的介電損耗，并且保留纖維素的多孔結構，以增強電磁波的反射，獲得高吸波性能，最終在匹配厚度3 mm時，最寬吸收帶寬為7.42 GHz，最小反射損耗值為?43.6 dB。

泡沫材料同樣具有氣凝膠相似的優點[51]，可以應用于吸波材料的制備過程中。Geng等[34]利用冷凍干燥技術，使CNF 和聚乳酸（PLA） 形成三維骨架，將CNT和Fe3O4顆粒均勻散落在三維骨架上，形成連續性導電網絡，制成CNF/CNT/PLA/Fe3O4泡沫，制備過程與吸波機制如圖4所示，且在最寬吸收帶寬為8.2 GHz時， 最小反射損耗值為?65.14 dB， 匹配厚度僅為3 mm。混合泡沫除了具有優異的吸波性能外，還表現出很高的光熱轉化性能和隔熱性能，是一種具有多功能發展潛力的吸波及隱身材料。

CNT在電磁波吸收上具有較寬的頻率覆蓋、較強的寬帶吸收能力和極低的質量，使得由CNT制成的吸波材料具有顯著優勢，易于滿足現代軍事領域對隱身材料輕量化、高效的要求。但在單獨使用CNT時，由于其介電常數較高，常導致阻抗匹配性能不佳[52]。因此，為優化CNT吸波性能，通常將其與其他材料相結合，形成復合材料以應用于吸波領域。Pitk?nen等[53]以具有開孔結構的三聚氰胺泡沫塑料為前驅體，通過熱解法制備多孔碳泡沫支架，隨后采用化學氣相沉積法在多孔碳泡沫支架上沉積CNT與CNF，最終合成了輕質泡沫碳- 碳納米管/碳納米纖維（CNTs/CNFs@C） 復合材料，其屏蔽機制如圖5（a）所示。該多孔碳納米復合材料在k 波段頻率（18.0～26.5 GHz） 下能夠高效吸收電磁波（90%）。此外，該復合材料還表現出優異的疏水性、穩定性和耐久性，因此這種材料作為隱身材料時，不僅能提供優異的吸波性能，還可以使裝備更好地適應各種環境，提高裝備的實用性與耐用性。泡沫材料在高溫環境下某些性能會降低， 限制其在高溫環境中的應用。許海龍[54]通過冷凍干燥工藝制備了具有蜂窩狀多孔結構的CNT/CNF泡沫復合材料，其最小反射損耗值為?27.0 dB，能夠覆蓋整個X波段。并且在CNT/CNF泡沫材料表面沉積Si3N4 陶瓷后形成了三明治夾層結構，得到了在室溫至600 ℃范圍內具有高溫吸波性能的CNT/CNF/Si3N4復合材料，制備過程如圖5（b）所示。這為制備具有寬頻、柔韌、且能適應耐高溫惡劣環境的隱身材料貢獻了新思路。

4 結語

本文對纖維素基碳質吸波材料和纖維素基復合吸波及隱身材料進行了系統闡述和總結分析。纖維素是一種可再生、可持續且環境友好的天然高分子材料，在吸波及隱身材料領域有極大的應用潛力。纖維素衍生碳基材料是一種優異的吸波材料，在吸波領域有廣泛應用，同時纖維素輕質柔韌以及良好的穩定性，使其與具有高導電性能的材料相輔相成，能夠制備出具有優異吸波性能的纖維素基復合吸波材料。這些吸波材料具有高吸波效率和寬有效吸收帶寬，為隱身技術的實際應用提供了有力支撐。然而，在纖維素基吸波材料的制備過程中仍需注意以下問題。

4. 1 纖維素基材料作為廣泛研究的生物質資源，在提取過程中仍存在著提取難度大、獲得的納米纖維素質量不均勻等問題。所以為了能夠更好地利用纖維素，并制備出具有輕質高效的吸波材料，未來研究應探索更為便捷的提取方法，以獲得更高質量的纖維素原料，推動纖維素基吸波及隱身材料領域的進一步發展。

4. 2 纖維素基吸波材料的制備工藝較為復雜，存在能耗大、成本高等問題，為滿足隱身技術的發展和實際應用，仍需要探尋一種既簡單操作，降低成本、實現大規模生產的制備方法。

4. 3 目前，纖維素基吸波材料的使用波段仍較窄，無法更好地滿足高端領域的應用。提高纖維素基吸波材料的吸波性能可以從優化材料結構和組成配比出發，以制備具有三維多孔的網狀結構，提高材料吸波性能，使纖維素基吸波材料作為優異隱身材料能更好的應用在航空航天、國防軍事等高端領域中。

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（責任編輯：呂子露）

基金項目：天津科技大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202410057026）。