MOF-纤维素生物气凝胶的多功能集成设计：电磁管理与火灾-声学安全一体化防护
Researchers develop lightweight cellulose-based material that absorbs microwaves, resists flames, insulates heat, and reduces noise in one sustainable design
image: Scanning electron microscopy image showing the porous, layered structure of a MOF-cellulose aerogel designed to absorb electromagnetic waves while improving fire safety, thermal insulation, and sound absorption.
Credit: Ye-Tang Pan and Pan Chen from Beijing Institute of Technology, China; Pingan Song from University of Southern Queensland, Australia
1.研究背景
随着电子信息技术、航空航天装备及智能建筑的快速发展，材料在复杂多物理场环境中的服役需求日益严苛。尤其是在电磁波防护、热防护、火灾安全及噪声控制等典型应用场景下，传统单一功能材料已难以满足实际需求。开发兼具电磁吸收、阻燃隔热与声学阻尼等多重功能的轻质材料体系，成为当前材料科学的重要前沿方向。气凝胶因其超低密度、高比表面积和多级孔结构，被广泛视为多功能集成的理想平台。然而，传统无机气凝胶存在脆性大、加工复杂等问题，而聚合物气凝胶则依赖石油基原料，难以满足可持续发展需求。纤维素作为自然界最丰富的生物质高分子原材料，具有可再生、环境友好和结构可设计等优势，但其电磁响应能力较弱，难以实现高效宽频电磁吸收。因此，如何通过功能单元的合理设计，将金属有机框架（MOFs）等高活性结构引入生物质气凝胶体系，实现多功能协同集成，是亟待突破的关键问题。
2. 研究进展
本研究首先利用P/N/S三元深共晶溶剂对全纤维素进行预处理，引入-NH2、-SO3H、-PO43-等极性官能团，获得PSU-全纤维素；随后以2-氨基对苯二甲酸与Ni²⁺配位自组装，形成尺寸约200-500 nm、厚度20-30 nm的鳞片状Ni-MOF-NH2，并将其均匀分散于改性纤维素基体中，经戊二醛交联、冷冻干燥获得Ni-MOF/CNF复合凝胶。通过两步碳化工艺，Ni-MOF被原位转化为Ni2P纳米颗粒，镶嵌于杂原子掺杂碳骨架中，最终形成具有异质界面、分级孔道与磁-电协同效应的Ni-CCA气凝胶。该材料密度仅为0.0102 g/cm3，可在100 g载荷压缩下保持结构完整，并在水中浸泡20天仍不发生崩解，展现出优异的轻质性、力学稳定性与耐水解性。
在火灾安全与热管理方面，Ni-CCA表现出显著的阻燃增强与红外隐身能力。燃烧测试显示，Ni-CCA的热释放速率峰值（pHRR）仅为64.75 W/g，较未改性纤维素气凝胶（CA）降低64.3%，总热流量同步下降；点火测试中，Ni-CCA仅表面轻微碳化，结构完整，而CNF与CA则迅速烧蚀甚至完全炭化。热导率测试表明，Ni-CCA室温热导率低至33.3 mW/(m·K)，优于CA的36.9 mW/(m·K)；红外热成像进一步证实，在100℃热台上加热120 s后，Ni-CCA表面温度仅38.9℃，显著低于CA的44.0℃（图2）。COMSOL热场模拟显示，Ni-CCA内部热扩散显著受限，温度梯度明显收窄；在战斗机模型红外隐身测试中，Ni-CCA覆盖区域呈现与低温背景一致的颜色，凸显其优异的热屏蔽与红外低可探测性能。
在声学阻尼方面，Ni-CCA凭借分级多孔网络结构实现了宽频高效吸声。阻抗管测试表明，Ni-CCA在低频（<1500 Hz）与高频（>3000 Hz）区间吸声系数显著优于CA，在1510 Hz处吸声系数接近1.0，近乎“全吸”；噪声降低系数（NRC）达0.31，为CA的2倍以上，其中2000 Hz高频NRC高达0.62（图3）。在实际噪声场景模拟中，Ni-CCA覆盖后，机场、直升机、发电机、电钻、卡车喇叭等噪声源声压级下降15-23 dB，高频噪声抑制尤为突出，充分验证其在实际声学环境中的降噪潜力
电磁波吸收性能是本研究最为突出的突破点。在仅5 wt.%的极低填充量下，Ni-CCA在2-18 GHz频段内展现出卓越的宽频吸收能力：在厚度2.39 mm处，最小反射损耗（RLmin）达到-53.47 dB，对应99.999%以上的电磁波吸收；有效吸收带宽（EAB）最宽达4.42 GHz；雷达散射截面（RCS）仿真显示，Ni-CCA相比完美电导体（PEC）实现最大27.90 dB·m2的RCS抑制，显著降低目标雷达可探测性。为公平评估综合吸波效能，研究引入新指标RLEtf=(RLmin×EAB)/(TRL×TEAB×填充量)，Ni-CCA的RLEtf远优于绝大多数已报道吸波气凝胶，真正实现“低填充、高性能”。
系统总结了Ni-CCA从电磁波入射、多重反射、极化弛豫、磁共振到红外抑制的全流程多物理场耦合隐身机制。在介电层面，P/N/S杂原子掺杂、碳骨架缺陷、Ni2P/碳异质界面共同诱发偶极极化与界面极化；在磁损耗层面，Ni-MOF衍生的Ni₂P纳米颗粒提供自然共振与交换共振，涡流损耗协同辅助；在阻抗匹配层面，分级多孔结构形成折射率梯度层，引导电磁波“平滑入境”；在结构层面，微孔-介孔-大孔分级体系及鳞片状单元使电磁波在内部发生多重散射，传播路径大幅延长。
3.未来展望
本研究成功突破了MOF-纤维素气凝胶“功能单一、界面失配、高填充依赖”三大核心瓶颈，在5 wt.%超低填充量下实现了电磁波吸收、阻燃、隔热、吸声四重功能的高效协同。在结构层面，鳞片状Ni-MOF-NH2拓扑单元与改性纤维素形成“刚柔并济”的交联网络，碳化后原位转化为Ni2P/杂原子碳异质骨架，实现纳米级功能单元与微米级多孔框架的跨尺度集成。在机制层面，系统揭示多物理场耦合衰减机制，为多功能吸波材料设计提供了理论支撑。在可持续层面，以纤维素为基体、深共晶溶剂绿色预处理、低填充高效利用，显著降低了材料碳足迹与制造成本，符合绿色低碳材料的发展方向。未来，该策略可便捷扩展至其他MOFs化学体系与生物质基体，通过功能基元的定制化设计与界面相互作用的精准调控，开发面向电磁隐身、热防护、深海/极地/航空航天极端环境、智能可穿戴防护等场景的新一代绿色多功能气凝胶材料。
原文链接： https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1111