Joule-heat derived amorphous/graphitic polymer nanotubes with enhanced electromagnetic wave absorption and high thermal conductivity

焦耳热衍生的非晶/石墨聚合物纳米管具有增强的电磁波吸收和高导热性

第一作者: Yan Cao (广东工业大学)

通讯作者: Jintao Huang (广东工业大学), Yonggang Min (广东工业大学), Zhanhu Guo (Northumbria University)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120427

PDF原文

期刊名称: Carbon

发表年份: 2025

论文亮点

提出了一种简单可扩展的焦耳热碳化策略，用于调控聚合物纳米管中的非晶到石墨相比例，从而实现电磁波吸收性能的精确调制。
制备的PNT-1000材料表现出优异的电磁波吸收性能（最大有效吸收带宽3.46 GHz，最小反射损失-45.1 dB）和高导热性（PNT-2000@PDMS导热系数达4.20 W/(m·K)）。

研究背景

人工智能技术的快速发展导致电子设备对电磁波吸收和热管理功能的需求增加，但电磁波辐射污染和热效应问题严重。
现有碳材料如碳纳米管和石墨烯在电磁波吸收方面有研究，但缺乏系统机制研究，且热导率往往不足。
传统碳化方法成本高、周期长，需要开发快速高效的热处理技术，如焦耳加热。

研究方法

PNT合成

通过模板法，将甲基橙粉末溶解后，添加FeCl₃，然后在冰水浴中引入吡咯，形成黑色沉淀，洗涤干燥后得到聚合物纳米管（PNT）。

焦耳加热处理

使用Flash Joule Heating技术，在氩气环境中对PNT进行热冲击，温度范围从700°C到2800°C，得到不同处理的PNT-X（X表示温度）。

复合材料制备

将10 wt%的PNT-X与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，铸造成薄膜，热固化后得到PNT-X@PDMS复合材料。

表征与测试

使用SEM、XRD、Raman、TGA、XPS等手段对材料形貌、结构、组成进行表征，并测试电磁波吸收性能和热导率。

主要结论

焦耳热碳化方法成功调控了PNT中非晶和石墨相的比例，PNT-1000表现出最佳的电磁波吸收性能（EAB 3.46 GHz, RL -45.1 dB）。
氮物种转化增强了极化弛豫、缺陷生成和偶极极化，协同促进电荷转移，改善吸收性能。
PNT-2000@PDMS复合材料具有高导热性（4.20 W/(m·K)），比纯PDMS提高1589%，适用于热管理应用。

Fig. 1: PNT-X的制备和形貌演变

Fig. 1. (a) PNT-X制备示意图。(b) PNT, (c) PNT-700, (d) PNT-1000, (e) PNT-1500, (f) PNT-2000, (g) PNT-2200, (h) PNT-2400, (i) PNT-2600, 和 (j) PNT-2800的SEM图像。

内容: Fig. 1 (a) 展示了PNT-X的制备示意图。(b-j) 显示了PNT和在不同温度下处理的PNT-X的SEM图像。PNT为管状结构，直径约300 nm。随着处理温度升高，形貌逐渐变化，从空心管状结构转变为片状结构，特别是在2800°C时结构被破坏。

分析结果: 形貌演变表明，随着焦耳加热温度升高，非晶碳逐渐重组为石墨碳，这通过XRD和Raman进一步证实。高温下管状结构破坏，表明石墨化过程伴随结构变化。

Fig. 2: PNT-X的结构表征

Fig. 2. (a) XRD图谱, (b) Lₐ, L꜀和d₀₀₂参数, (c) Raman光谱, (d) Iᴅ/Iɢ比值, (e) TGA曲线, 和 (f) 电导率。

内容: Fig. 2 (a) XRD图谱显示PNT为高度非晶结构，随着温度升高，出现石墨(002)峰，结晶度提高。(b) Lₐ, L꜀, d₀₀₂参数变化，表明石墨化程度增加。(c) Raman光谱显示D和G band，Iᴅ/Iɢ比值降低，表示结构有序性改善。(d) Iᴅ/Iɢ值随温度变化。(e) TGA显示碳含量随温度升高而增加。(f) 电导率测量，显示电导率随温度升高而增加。

分析结果: XRD和Raman结果证实焦耳加热促进了PNT的石墨化。电导率增加与晶粒尺寸增大相关，有助于电子传输。TGA表明高温下碳化更完全。

Fig. 3: PNT-X的XPS分析

Fig. 3. (a₁) PNT-700, (b₁) PNT-1500, (c₁) PNT-2000和(d₁) PNT-2400的XPS光谱; 详细的C 1s光谱 (a₂-d₂); 详细的N 1s光谱 (a₃-d₃)。

内容: Fig. 3 显示了PNT-700、PNT-1500、PNT-2000和PNT-2400的XPS光谱。(a₁-d₁) 全谱显示元素组成变化，N含量随温度升高而减少。(a₂-d₂) C 1s光谱，显示C=C键强度增加，表示石墨碳含量增加。(a₃-d₃) N 1s光谱，显示吡咯N减少，石墨N增加，高温下N消失。

分析结果: XPS分析表明，随着处理温度升高，氮杂原子被去除，材料逐渐石墨化。C=C键增强和N含量减少证实了非晶碳向石墨碳的转变，这有助于电荷传输。

Fig. 4: PNT和PNT-1000的电磁波吸收性能

Fig. 4. (a₁-a₃) PNT和(b₁-b₃) PNT-1000的吸收器的RL值。

内容: Fig. 4 (a₁-a₃) 显示未处理的PNT的吸收性能，反射损失约-18.8 dB。(b₁-b₃) 显示PNT-1000的吸收性能显著改善，最小反射损失达-45.1 dB，有效吸收带宽为3.46 GHz（厚度1.5 mm）。

分析结果: PNT-1000表现出优异的电磁波吸收性能，优于许多文献报道的复合材料。其宽频带吸收能力使其在C到Ku波段有应用潜力。

Fig. 5: 电磁性能和吸收机制

Fig. 5. (a) ε′, (b) ε″, (c) μ′, (d) μ″. (e₁) PNT和(e₂) PNT-1000的Cole-Cole曲线. (f) EWA机制。

内容: Fig. 5 (a-d) 显示PNT和PNT-1000的复介电常数和复磁导率。(e₁-e₂) Cole-Cole曲线，显示多个半圆，表示极化弛豫过程。(f) EWA机制示意图，包括多重反射和散射、电子迁移和转变、偶极极化。

分析结果: PNT-1000的介电常数更高，表明更好的