現(xiàn)代航空器、大功率電子設(shè)備、電動汽車以及節(jié)能建筑正面臨日益嚴(yán)峻的多重風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)：電磁干擾、火災(zāi)隱患、熱量積聚以及噪音污染。傳統(tǒng)工程實(shí)踐中，工程師通常采用分層疊加不同材料的方式來分別應(yīng)對這些威脅。雖然這種策略在短期內(nèi)有效，但不可避免地增加了系統(tǒng)的重量、復(fù)雜性和成本，且往往依賴石油基成分。近日，一項(xiàng)Zui新研究提出了一種全新的解決方案：一種單一、輕質(zhì)的多功能材料，旨在同時(shí)解決上述四大難題。

這項(xiàng)由北京理工大學(xué)潘業(yè)唐教授和陳攀教授團(tuán)隊(duì)與昆士蘭大學(xué)宋平安教授團(tuán)隊(duì)合作完成的研究，于2026年2月6日發(fā)表在《Research》期刊上。研究聚焦于氣凝膠——一類以卓越隔熱性能著稱的超輕、高孔隙率材料。然而，傳統(tǒng)氣凝膠往往存在易碎、易燃或功能單一等局限。研究團(tuán)隊(duì)決定利用可再生材料和納米級工程手段，重新構(gòu)想氣凝膠的結(jié)構(gòu)。

“現(xiàn)代工程系統(tǒng)很少只面臨單一挑戰(zhàn)，”潘業(yè)唐教授指出，“我們旨在設(shè)計(jì)一種可持續(xù)的氣凝膠，能夠同時(shí)管理電磁波、提升防火安全、提供隔熱效果并吸收聲音?！痹摬牧系暮诵幕A(chǔ)是纖維素，這是地球上Zui豐富的天然聚合物，也是植物細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分。纖維素具有可再生、可生物降解且能形成強(qiáng)三維網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是先進(jìn)材料的理想基底。但未經(jīng)處理的纖維素氣凝膠易燃且電磁功能有限。

為克服這些局限，研究人員將鎳基金屬有機(jī)框架（MOFs）直接引入纖維素網(wǎng)絡(luò)中。金屬有機(jī)框架是由金屬離子通過有機(jī)分子連接而成的多孔晶體材料，其結(jié)構(gòu)可調(diào)且比表面積大，廣泛應(yīng)用于氣體存儲和催化領(lǐng)域。在本研究中，鎳基金屬有機(jī)框架在纖維素骨架中均勻生長，形成了互連的納米級架構(gòu)。隨后，該復(fù)合材料經(jīng)過受控的兩步碳化過程。加熱過程中，部分纖維素轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電碳骨架，而鎳物種則轉(zhuǎn)變?yōu)榍度攵嗫谆|(zhì)中的納米級磷化鎳顆粒。

“碳化過程中形成的層級結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，”潘業(yè)唐解釋道，“它創(chuàng)造了導(dǎo)電通路和豐富的界面，這對于強(qiáng)微波吸收至關(guān)重要?！敝档米⒁獾氖?，Zui終的氣凝膠填料重量占比僅約5%，在保持超輕特性的同時(shí)增加了多重防護(hù)功能。電磁測試顯示，該氣凝膠在寬頻范圍內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的微波吸收能力，Zui小反射損耗超過-50分貝，意味著入射電磁波被大量耗散而非反射。研究人員還觀察到雷達(dá)散射截面顯著降低，暗示其在電磁干擾屏蔽和隱身應(yīng)用中的潛力。這一性能得益于導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)與多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)界面極化的協(xié)同效應(yīng)。

防火安全是研究的另一核心焦點(diǎn)。在燃燒測試中，與傳統(tǒng)未處理纖維素氣凝膠相比，該材料將峰值熱釋放率降低了60%以上。碳化結(jié)構(gòu)和鎳衍生顆粒促進(jìn)了穩(wěn)定保護(hù)性炭層的形成，從而減緩熱量傳遞并限制可燃?xì)怏w的釋放?！霸诓皇褂脗鹘y(tǒng)鹵素基添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)顯著的阻燃效果是一項(xiàng)重要進(jìn)展，”潘業(yè)唐表示，“它在增強(qiáng)安全性的同時(shí)保持了環(huán)境責(zé)任。”

盡管增加了多功能性，該材料的隔熱性能依然強(qiáng)勁。高孔隙結(jié)構(gòu) trapping 空氣并限制熱傳導(dǎo)，使其導(dǎo)熱系數(shù)與商業(yè)絕緣材料相當(dāng)。這使得材料能夠在提供電磁隱身和防火保護(hù)的同時(shí)有效管理熱量。聲學(xué)測試進(jìn)一步證明，該材料在寬頻范圍內(nèi)具有有效的吸音效果?；ミB的孔隙網(wǎng)絡(luò)和分層微觀結(jié)構(gòu)通過反復(fù)反射和內(nèi)摩擦耗散聲能，使其適用于需要降噪的環(huán)境。

潘業(yè)唐教授及其團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，該研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。未來工作需要評估其長期耐久性、機(jī)械強(qiáng)度以及在真實(shí)世界環(huán)境條件下的性能?！拔覀兿Ｍ@一策略能激發(fā)下一代可持續(xù)防護(hù)材料的發(fā)展?！迸藰I(yè)唐說道。