【南昌大学/复旦大学 * AFM】双驱动界面编程——竹纤维高熵吸波材料实现宽厚度稳定吸收

BioMat Insight导读：

传统异质微波吸收材料常面临颗粒团聚、界面突变和介电—磁响应失衡等问题，使有效带宽对涂层厚度高度敏感。近日，南昌大学与复旦大学团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，以竹纤维为天然结构载体，提出“共价分子锚定—熵序参量编码”双驱动界面编程策略。该方法使FeCoNi磁性合金纳米晶与Cr/Mn调控碳界面发生差异化演变，代表性四元材料在1.8–3.1 mm厚度范围内始终保持4.0–4.5 GHz有效带宽，并在100 °C热老化18小时后保持稳定性能。

文献背景：

微波吸收材料需要同时满足强衰减、薄厚度和宽频带等要求，但传统异质复合材料常存在颗粒团聚、界面突变和局部电导率过高等问题。介电响应与磁响应之间的不平衡会导致阻抗匹配窗口狭窄，使有效吸收带宽对涂层厚度高度敏感，增加实际加工和服役中的厚度控制难度。

生物质天然纤维具有连续的一维骨架、分级孔道和丰富表面官能团，是构筑渐变电磁异质界面的理想载体。然而，常见浸渍、球磨和原位生长等方法难以精确控制多金属前驱体在纤维表面的初始分布，也无法有效指导热处理过程中不同元素的迁移、成核与界面重构。

创新点：

本研究提出“分子锚定—熵序参量编码”双驱动界面编程策略。首先，通过碱处理和APTES改性在竹纤维表面引入氨基活性位点，再利用共价分子锚定将多金属有机配合物均匀固定于纤维界面，从源头限制金属物种的随机迁移和团聚。

随后在还原气氛热处理过程中，不同元素依据化学亲和性发生差异化演变：Fe、Co和Ni倾向于在界面局域成核并形成磁性合金纳米晶；Cr及五元体系中的Mn则更多分布于碳基体中，通过掺杂、化学耦合和电导调节构建渐变界面。该“熵序参量编码”过程使介电损耗与磁损耗协同匹配，获得对厚度变化不敏感的稳定宽带吸收。

材料制备：

• 竹纤维活化
  ：天然竹纤维经清洗和NaOH处理，去除表面杂质并暴露更多反应位点。
• 表面氨基化
  ：使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）改性竹纤维，在表面引入NH₂官能团和Si—O结构。
• 多金属前驱体锚定
  ：以没食子酸金属配合物为前驱体，通过共价分子锚定将Fe、Co、Ni、Cr和Mn等元素均匀固定于改性竹纤维表面。
• 热解与界面编码
  ：在H₂/Ar还原气氛中于750 °C热解，使竹纤维转化为空心碳骨架，同时诱导FeCoNi合金纳米晶局域形成，并利用Cr/Mn调控多元素掺杂碳界面。

图文精读

图1：FeCoNi(CrMn)-BFC异质界面的双驱动编程策略

图注翻译：

• 图1a：天然竹纤维经碱活化、APTES改性、前驱体锚定及热解制备高熵合金/竹纤维碳复合材料的整体路线。
• 图1b：多金属没食子酸配合物在改性竹纤维界面上的共价分子锚定及H₂/Ar辅助热解。
• 图1c：三元、四元和五元体系热演变过程中的熵序参量编码，展示Fe/Co/Ni富集合金纳米晶与Cr/Mn调控碳界面的差异化演变。

要点总结：

分子锚定提供了均匀且稳定的前驱体空间起点，避免多金属组分在热解过程中无序迁移和严重团聚。热处理后，Fe、Co和Ni形成局域磁性纳米晶，Cr和Mn则参与碳基体掺杂与界面耦合。两阶段协同将原本随机形成的异质界面转变为可编程结构单元，为后续介电—磁协同提供基础。

图2：竹纤维衍生异质界面的形貌与纳米结构

图注翻译：

• 图2a：合金纳米晶受限于碳质界面的空心纤维结构模型。
• 图2b-c：Fe₅₀Co₃₀Ni₁₅Cr₅-BFC和Fe₅₀Co₂₅Ni₁₅Cr₅Mn₅-BFC的SEM图像及空心截面。
• 图2d：四元材料的STEM图像和C、O、Si、Fe、Co、Ni、Cr元素分布。
• 图2e：纳米晶/碳异质界面结构模型。
• 图2f-g：合金纳米晶嵌入碳界面的TEM和HRTEM图像。

要点总结：

材料保留了竹纤维衍生的一维空心碳骨架，表面形成连续复合壳层。元素分析显示Fe、Co和Ni在界面局域富集并形成离散纳米颗粒，而Cr主要分布于碳基体。HRTEM中约0.199 nm和0.341 nm晶格间距分别对应FeCoNi合金纳米晶和石墨化碳，证明磁性纳米晶被局部石墨化和无定形碳紧密包覆。

图3：界面化学构筑与多元素相演变

图注翻译：

• 图3a：原始竹纤维、NaOH处理竹纤维和APTES改性竹纤维的FTIR光谱。
• 图3b：三元、四元和五元BFC样品的XRD图谱。
• 图3c：代表性样品的XPS全谱。
• 图3d-i：Fe₅₀Co₃₀Ni₁₅Cr₅-BFC中C 1s、Si 2p、Fe 2p、Co 2p、Ni 2p和Cr 2p高分辨XPS光谱。

要点总结：

FTIR中特征氨基和Si—O峰证明APTES成功修饰竹纤维，为共价锚定提供化学基础。XRD显示碳相与单一面心立方合金相共存，Fe、Co和Ni主要形成固溶合金。XPS进一步识别出M—C、M—O及M—O—Si等键合状态，说明磁性组分并非简单附着，而是通过多种化学键与碳/硅氧界面紧密耦合。

图4：熵调控异质界面的介电与磁响应

图注翻译：

• 图4a：不同Cr含量FeCoNiCr-BFC在X波段的复介电常数。
• 图4b-c：不同材料的介电损耗角正切和衰减常数。
• 图4d-e：离轴电子全息重构相位图及界面电荷密度分布。
• 图4f：外加电场下界面极化、导电路径与导电损耗机制。
• 图4g-h：三元、四元和五元BFC的复磁导率与磁损耗角正切。
• 图4i-j：涡流系数以及不同成分阶段的磁响应和畴壁钉扎示意图。

要点总结：

随着Cr含量增加，体系过高的复介电常数得到抑制，使阻抗匹配逐步改善。离轴电子全息观察到异质界面两侧明显的电荷密度波动，证明存在非均匀电荷积累和耦合界面极化。5% Cr不仅避免磁导率实部过高，还增强磁导率虚部、磁损耗角正切和涡流响应，使Fe₅₀Co₃₀Ni₁₅Cr₅-BFC获得更均衡的介电—磁协同。

图5：宽厚度容差吸波性能与工程稳定性

图注翻译：

• 图5a-c：三元、四元和五元BFC材料的二维反射损耗图。
• 图5d：不同材料在选定厚度下的有效吸收带宽。
• 图5e：2.5 mm厚度下不同样品的归一化输入阻抗模量。
• 图5f：四元材料经100 °C空气热老化0、6、12和18小时后的最低反射损耗、有效带宽及宽带厚度区间。
• 图5g：裸PEC板及不同BFC涂层在8.4 GHz下的角度雷达散射截面响应。
• 图5h：与已报道碳基、金属—碳及高熵吸波材料的宽厚度区间比较。
• 图5i：合金/碳锚定界面和多孔碳网络中的微波衰减机制。

要点总结：

Fe₅₀Co₃₀Ni₂₀-BFC在C波段的最低反射损耗为−49.61 dB；Fe₅₀Co₃₀Ni₁₅Cr₅-BFC在3.1 mm厚度下达到−51.75 dB；五元材料则在1.7 mm厚度下于Ku波段达到−30.07 dB。四元材料最突出的优势是厚度容差：在1.8–3.1 mm范围内，有效吸收带宽始终保持4.0–4.5 GHz。经100 °C热老化18小时后，其最低反射损耗和最大带宽没有明显衰减，并仍具有超过1 mm的宽带厚度窗口。

本研究建立了将共价分子锚定与熵序参量编码相结合的双驱动界面编程策略。分子锚定使多金属有机前驱体均匀定位于改性竹纤维表面，热处理则引导Fe、Co和Ni形成受限磁性合金纳米晶，并使Cr/Mn等元素参与碳质界面的掺杂和渐变重构，从而缓解传统异质复合材料中的界面突变问题。

代表性Fe₅₀Co₃₀Ni₁₅Cr₅-BFC实现了介电调节、界面极化和磁损耗之间的平衡，在1.8–3.1 mm宽厚度区间内维持4.0–4.5 GHz有效吸收带宽，并在3.1 mm厚度下获得−51.75 dB最低反射损耗。材料经100 °C、18小时热老化后仍保持稳定吸波性能，展现出良好的树脂固化工艺兼容性和涂层厚度容差。该工作为生物质衍生介电—磁协同吸波材料的可编程界面设计提供了新路径。

论文相关信息：

• 论文标题
  ：Dual-Driven Interface Programming via Molecular Anchoring and Entropy Order for Efficient Dielectric-Magnetic Synergy and Robust Microwave-Absorption
• 期刊
  ：《Advanced Functional Materials》
• 接收时间
  ：2026年5月25日
• 作者
  ：Huwei Lv, Rui Sun, Gangjie Lian, Qingqing Li, Longfei Bi, Qiu Yan, Xiaojiang Zhou, Lei Chen, Wenbin You, Renchao Che
• 单位
  ：南昌大学物理与材料学院、材料创新国际研究院；复旦大学先进材料实验室、智能材料与未来能源学院等
• DOI
  ：10.1002/adfm.76357

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