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近日，廣東工業(yè)大學(xué)黃錦濤副教授、閔永剛教授團(tuán)隊在《Carbon》上發(fā)表了題為“Joule-heat derived amorphous/graphitic polymer nanotubes with enhanced electromagnetic wave absorption and high thermal conductivity”的論文，通過焦耳熱調(diào)控聚吡咯納米管的無定形/石墨相比例，實現(xiàn)了電磁波吸收（-45.1 dB）與熱導(dǎo)率（4.20 W/(m·K)）的協(xié)同優(yōu)化，揭示了缺陷極化和晶粒結(jié)構(gòu)調(diào)控機制，為電子器件的電磁-熱協(xié)同管理材料設(shè)計提供了新范式。

1.技術(shù)需求與電子器件挑戰(zhàn)：人工智能發(fā)展推動高性能電子設(shè)備對電磁波吸收（EWA）與熱管理的協(xié)同需求。電磁波輻射和熱效應(yīng)導(dǎo)致信號干擾、設(shè)備失效及健康威脅。傳統(tǒng)材料熱導(dǎo)率不足，限制器件穩(wěn)定性。

2.傳統(tǒng)材料的局限性：碳基材料（如碳納米管、石墨烯）雖EWA性能優(yōu)異，但存在熱導(dǎo)率低、制備復(fù)雜等問題。傳統(tǒng)碳化技術(shù)能耗高、周期長，且缺乏對無定形/石墨相比例的系統(tǒng)研究，難以優(yōu)化材料性能。

3.研究目標(biāo)與創(chuàng)新方向：通過快速焦耳熱精準(zhǔn)調(diào)控聚合物納米管的無定形/石墨相比例，探索其在電磁波吸收與熱傳導(dǎo)中的協(xié)同機制，為開發(fā)兼具高效能量耗散與散熱能力的多功能復(fù)合材料提供新思路。

1.材料合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控：研究采用模板法合成聚吡咯基聚合物納米管（PNT），通過焦耳熱沖擊在不同溫度（700–2800°C）下實現(xiàn)快速碳化。具體流程包括：甲基橙模板誘導(dǎo)聚合、FeCl?催化吡咯單體聚合形成管狀結(jié)構(gòu)，隨后在氬氣環(huán)境中進(jìn)行毫秒級高溫處理。此方法通過電流參數(shù)精確控制溫度梯度，實現(xiàn)從無定形碳到高度石墨化結(jié)構(gòu)的連續(xù)演變。

2.多尺度結(jié)構(gòu)表征技術(shù)：結(jié)合掃描電鏡（SEM）觀察形貌演變，發(fā)現(xiàn)管徑從300 nm收縮至180 nm，高溫下（>2600°C）管壁破裂形成片層結(jié)構(gòu)。X射線衍射（XRD）與拉曼光譜定量分析結(jié)晶度：PNT-2800的（002）晶面間距（d???）降至0.34 nm，ID/IG值從1.52（700°C）降至0.39（2400°C），證實石墨化程度提升。XPS進(jìn)一步揭示氮元素隨溫度升高逐漸脫除，缺陷類型從吡咯氮向石墨氮轉(zhuǎn)變。

3.性能測試與機理關(guān)聯(lián)分析：電磁性能通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（2–18 GHz）測量復(fù)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，計算反射損耗（RL）與有效吸收帶寬（EAB）。熱導(dǎo)率采用激光閃射法測定，結(jié)合紅外熱成像驗證導(dǎo)熱路徑。通過Cole-Cole曲線分析極化弛豫過程，發(fā)現(xiàn)PNT-1000因氮缺陷形成多重極化中心，而高溫樣品（如PNT-2000）因晶粒增大促進(jìn)聲子傳輸，揭示電磁損耗與熱傳導(dǎo)的競爭機制。

1.結(jié)構(gòu)-性能的梯度演變：隨著處理溫度升高，PNT-X從無定形碳向石墨碳轉(zhuǎn)變：PNT-1000的晶粒尺寸（L?）為2.4 nm，導(dǎo)電率32 S/m；PNT-2400的L?增至10.98 nm，導(dǎo)電率躍升至1416 S/m。這種結(jié)構(gòu)演變直接影響材料功能——低溫樣品（<1000°C）以缺陷誘導(dǎo)的極化損耗為主，而高溫樣品（>2000°C）依賴導(dǎo)電損耗與聲子主導(dǎo)的熱傳導(dǎo)。

2.電磁波吸收性能突破：PNT-1000在1.5 mm厚度下實現(xiàn)最小反射損耗-45.1 dB，有效吸收帶寬（EAB）達(dá)3.46 GHz（14.54–18 GHz），覆蓋C-Ku波段。其優(yōu)異性能歸因于氮缺陷引發(fā)的界面極化、偶極弛豫與多重散射協(xié)同作用。相較之下，PNT-2000因缺陷減少導(dǎo)致RL僅-10 dB，但熱導(dǎo)率顯著提升。

3.熱管理能力顯著提升：PNT-2000@PDMS（10 wt%）的熱導(dǎo)率達(dá)4.20 W/(m·K)，較純PDMS（0.26 W/(m·K)）提升1589%。石墨化結(jié)構(gòu)形成連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，晶粒尺寸增大減少聲子散射，紅外熱成像顯示其升溫速率比PDMS快23%，冷卻速率提高15%，驗證了高效散熱潛力。

1.材料設(shè)計與缺陷工程：未來可通過引入硼、硫等多元素?fù)诫s，調(diào)控缺陷類型與空間分布，以平衡極化損耗與熱導(dǎo)率。例如，設(shè)計梯度缺陷結(jié)構(gòu)，表層保留高密度缺陷以增強EWA，內(nèi)部則優(yōu)化石墨化程度以提升熱導(dǎo)。

2.機理深化與跨尺度模擬：結(jié)合原位透射電鏡（TEM）與第一性原理計算，動態(tài)追蹤碳化過程中缺陷演化對電磁-熱耦合行為的影響。發(fā)展多物理場模型，量化極化弛豫、導(dǎo)電損耗與聲子傳輸?shù)呢暙I(xiàn)，為材料設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

3.應(yīng)用場景拓展與規(guī)模化制備：推動材料在柔性可穿戴電子、5G基站屏蔽層及高功率芯片散熱模塊中的應(yīng)用。優(yōu)化焦耳加熱工藝參數(shù)，開發(fā)卷對卷連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，降低能耗成本，實現(xiàn)噸級產(chǎn)能，滿足商業(yè)化需求。