武汉科技大学陈平安团队研究成果：聚碳硅烷对酚醛树脂衍生碳基复合材料显微结构和电磁性能的影响
引言
随着通讯技术的飞速发展，电磁污染问题日益严峻，对人们的生活、精密仪器运行及国防事业构成了潜在威胁。因此，开发高效电磁波（EMW）吸收材料成为迫切需求。碳基复合材料因其结构可设计性和优异的介电损耗性能，被视为极具潜力的EMW吸收材料。然而，纯碳基材料介电常数过高，导致阻抗失配，难以满足强吸收和宽频带的要求。本文旨在通过引入聚碳硅烷（PCS），研究其对酚醛树脂衍生碳基复合材料显微结构和电磁性能的影响，以期开发出高性能EMW吸收材料。文章基于武汉科技大学陈平安教授团队研究成果及国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省重大科技攻关等项目资助。
01、研究背景
电磁污染问题：电磁污染不仅影响人们的日常生活，还对精密仪器和国防系统造成干扰，开发高效EMW吸收材料刻不容缓。
碳基复合材料优势：碳基复合材料具有密度低、结构可设计性和优异的介电损耗性能，是EMW吸收领域的热点。
酚醛树脂的应用：酚醛树脂因其残碳率高、热学性能稳定，被广泛用作碳基吸波材料的前驱体。然而，纯酚醛树脂热解碳介电常数过高，导致阻抗匹配差。
现有改进方法：研究者通过结构设计或掺杂第二相来提高酚醛树脂衍生碳基复合材料的EMW吸收性能，但效果有限。
02、创新亮点
（1）引入聚碳硅烷（PCS）
本文首次以酚醛树脂为基体，系统研究PCS添加量对碳基复合材料显微结构和电磁性能的影响，开辟了改善碳基复合材料阻抗匹配性的新途径。原位生成SiC和碳纳米管：在热处理过程中，PCS与酚醛树脂相互作用，原位生成大量SiC和碳纳米管，显著改善了材料的介电损耗能力和阻抗匹配性能。
（2）优化热处理工艺
通过精确控制热处理温度和时间，实现了SiC和碳纳米管的最优生成，从而在保持材料轻质的同时，大幅提升了其EMW吸收性能。显著提升吸波性能：当酚醛树脂与PCS质量比为1:1时，材料在厚度为1.8 mm处的最小反射损耗（RLmin）达到-46.80 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.52 GHz。
（3）多尺度结构调控
通过PCS的引入，不仅在纳米尺度上形成了SiC和碳纳米管的一维结构，还在微米尺度上优化了材料的孔隙结构，实现了多尺度结构调控，进一步提升了材料的EMW吸收性能。
03、图文展示
图1 碳基复合材料的XRD和拉曼光谱：（a）10°～90°XRD；（a）30°～40°XRD（c）拉曼光谱；（d）ID/IG和Ld
Fig. 1 XRD and Raman spectra of carbon-based composite materials: (a) XRD from 10° to 90°; (b) XRD from 30° to 40°; (c) Raman spectra; (d) ID/IG and Ld
图2 碳基复合材料的形貌分析：（a）、（b）P-1的SEM；（c）、（d1）P-2的SEM；（d2）、（d3）P-2的EDS；（e）、（f1）P-3的SEM；（f2）、（f3）P-3的EDS；（g）、（h）P-4的SEM
Fig. 2 Morphological analysis of carbon-based composite materials: (a), (b) SEM of P-1; (c), (d1) SEM of P-2; (d2), (d3) EDS of P-2; (e), (f1) SEM of P-3; (f2), (f3) EDS of P-3; (g), (h) SEM of P-4
图3 P-3的TEM：（a）低分辨率形貌；（b）、（c）高分辨率形貌；（d）EDS
Fig. 3 TEM of P-3: (a) low-resolution morphology; (b), (c) high-resolution morphology; (d) EDS
图4 碳基复合材料的热性能：（a）TG；（b）DSC；（c）氧化后质量损失率
Fig. 3 Thermal properties of carbon-based composite materials: (a) TG; (b) DSC; (c) mass loss rate after oxidation
图8 碳基复合材料的阻抗匹配：（a）P-1；（b）P-2；（c）P-3；（d）P-4
Fig. 8 Impedance matching of carbon-based composite materials: (a) P-1; (b) P-2; (c) P-3; (d) P-4
图9 碳基复合材料的吸波机理
Fig. 9 Microwave absorption mechanism of carbon-based composite materials
04、结论
本文通过引入PCS并优化热处理工艺，成功制备了具有优异EMW吸收性能的酚醛树脂衍生碳基复合材料。主要结论如下：
（1）显微结构变化：PCS的引入促进了SiC和碳纳米管在碳基复合材料中的原位生成，这些一维结构不仅增强了材料的介电损耗能力，还改善了阻抗匹配性能。
（2）电磁性能提升：随着PCS添加量的增加，碳基复合材料的介电常数和介电损耗正切值逐渐降低，而磁损耗能力先增后减。当酚醛树脂与PCS质量比为1:1时，材料展现出最优的EMW吸收性能，RLmin达到-46.80 dB，EAB为5.52 GHz。
（3）阻抗匹配优化：PCS的添加显著提高了碳基复合材料的阻抗匹配性能，使得更多电磁波能够进入材料内部并被有效吸收。这一改进为实现“薄、轻、宽、强”的EMW吸收材料设计提供了新的技术方案。
引用本文
文章发表于《功能材料》2026年第57卷第1期，欢迎引用本文：
李世恩,陈家鑫,陈平安,等.聚碳硅烷对酚醛树脂衍生碳基复合材料显微结构和电磁性能的影响[J].功能材料,2026,57(1):119-128.
LI S E,CHEN J X,CHEN P A,et al.Effect of polycarbosilane on the microstructure and electromagnetic[J].Journal of functional materials,2026,57(1):119-128.