南科大王湘麟等：具有优异电磁干扰屏蔽、低导热性和极低热释放量的碳纳米纤维/聚苯胺复合气凝胶

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。

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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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