近日，广东工业大学黄锦涛副教授、闵永刚教授团队在《Carbon》上发表了题为“Joule-heat derived amorphous/graphitic polymer nanotubes with enhanced electromagnetic wave absorption and high thermal conductivity”的论文，通过焦耳热调控聚吡咯纳米管的无定形/石墨相比例，实现了电磁波吸收（-45.1 dB）与热导率（4.20 W/(m·K)）的协同优化，揭示了缺陷极化和晶粒结构调控机制，为电子器件的电磁-热协同管理材料设计提供了新范式。

1.技术需求与电子器件挑战：人工智能发展推动高性能电子设备对电磁波吸收（EWA）与热管理的协同需求。电磁波辐射和热效应导致信号干扰、设备失效及健康威胁。传统材料热导率不足，限制器件稳定性。

2.传统材料的局限性：碳基材料（如碳纳米管、石墨烯）虽EWA性能优异，但存在热导率低、制备复杂等问题。传统碳化技术能耗高、周期长，且缺乏对无定形/石墨相比例的系统研究，难以优化材料性能。

3.研究目标与创新方向：通过快速焦耳热精准调控聚合物纳米管的无定形/石墨相比例，探索其在电磁波吸收与热传导中的协同机制，为开发兼具高效能量耗散与散热能力的多功能复合材料提供新思路。

1.材料合成与结构调控：研究采用模板法合成聚吡咯基聚合物纳米管（PNT），通过焦耳热冲击在不同温度（700–2800°C）下实现快速碳化。具体流程包括：甲基橙模板诱导聚合、FeCl₃催化吡咯单体聚合形成管状结构，随后在氩气环境中进行毫秒级高温处理。此方法通过电流参数精确控制温度梯度，实现从无定形碳到高度石墨化结构的连续演变。

2.多尺度结构表征技术：结合扫描电镜（SEM）观察形貌演变，发现管径从300 nm收缩至180 nm，高温下（>2600°C）管壁破裂形成片层结构。X射线衍射（XRD）与拉曼光谱定量分析结晶度：PNT-2800的（002）晶面间距（d₀₀₂）降至0.34 nm，ID/IG值从1.52（700°C）降至0.39（2400°C），证实石墨化程度提升。XPS进一步揭示氮元素随温度升高逐渐脱除，缺陷类型从吡咯氮向石墨氮转变。

3.性能测试与机理关联分析：电磁性能通过矢量网络分析仪（2–18 GHz）测量复介电常数与磁导率，计算反射损耗（RL）与有效吸收带宽（EAB）。热导率采用激光闪射法测定，结合红外热成像验证导热路径。通过Cole-Cole曲线分析极化弛豫过程，发现PNT-1000因氮缺陷形成多重极化中心，而高温样品（如PNT-2000）因晶粒增大促进声子传输，揭示电磁损耗与热传导的竞争机制。

1.结构-性能的梯度演变：随着处理温度升高，PNT-X从无定形碳向石墨碳转变：PNT-1000的晶粒尺寸（Lₐ）为2.4 nm，导电率32 S/m；PNT-2400的Lₐ增至10.98 nm，导电率跃升至1416 S/m。这种结构演变直接影响材料功能——低温样品（<1000°C）以缺陷诱导的极化损耗为主，而高温样品（>2000°C）依赖导电损耗与声子主导的热传导。

2.电磁波吸收性能突破：PNT-1000在1.5 mm厚度下实现最小反射损耗-45.1 dB，有效吸收带宽（EAB）达3.46 GHz（14.54–18 GHz），覆盖C-Ku波段。其优异性能归因于氮缺陷引发的界面极化、偶极弛豫与多重散射协同作用。相较之下，PNT-2000因缺陷减少导致RL仅-10 dB，但热导率显著提升。

3.热管理能力显著提升：PNT-2000@PDMS（10 wt%）的热导率达4.20 W/(m·K)，较纯PDMS（0.26 W/(m·K)）提升1589%。石墨化结构形成连续导热网络，晶粒尺寸增大减少声子散射，红外热成像显示其升温速率比PDMS快23%，冷却速率提高15%，验证了高效散热潜力。

1.材料设计与缺陷工程：未来可通过引入硼、硫等多元素掺杂，调控缺陷类型与空间分布，以平衡极化损耗与热导率。例如，设计梯度缺陷结构，表层保留高密度缺陷以增强EWA，内部则优化石墨化程度以提升热导。

2.机理深化与跨尺度模拟：结合原位透射电镜（TEM）与第一性原理计算，动态追踪碳化过程中缺陷演化对电磁-热耦合行为的影响。发展多物理场模型，量化极化弛豫、导电损耗与声子传输的贡献，为材料设计提供理论指导。

3.应用场景拓展与规模化制备：推动材料在柔性可穿戴电子、5G基站屏蔽层及高功率芯片散热模块中的应用。优化焦耳加热工艺参数，开发卷对卷连续生产技术，降低能耗成本，实现吨级产能，满足商业化需求。