让金属表面“生长碳管森林”！哈工大在多功能镍基碳纳米管复合材料研究中取得新进展

近日，哈尔滨工业大学在多功能金属基复合材料领域取得新进展。团队围绕先进装备在复杂环境下对电磁防护、热管理以及环境适应性的综合需求，提出了一种利用固相前驱体在镍基底表面原位构筑碳纳米管森林（Carbon Nanotube Forest, CNT Forest）的材料设计策略，成功制备出具有优异电磁屏蔽、热转换及环境稳定性能的镍/碳纳米管（Ni/CNT）复合薄膜材料。

相关研究成果以“Creation of carbon nanotube forest on nickel substrates and their electromagnetic performances with multiple functionalities”为题发表于《Composites Part B: Engineering》。哈尔滨工业大学博士生于益成为论文第一作者，助理研究员李经纬、副教授李建军为论文通讯作者，吕海宝教授为该研究提供指导与支持。

Fig.1（材料设计与制备示意图）

随着航空航天装备、高频电子器件以及智能化系统的快速发展，复杂电磁环境下的设备防护和热管理需求不断提升。传统金属材料虽然具有良好的导电性能和电磁屏蔽能力，但其功能较为单一，在轻量化、多功能集成以及极端环境适应方面仍存在挑战。针对上述问题，研究团队提出了一种新型金属-碳纳米材料融合策略。研究利用镍基底自身的催化作用，通过固体碳源化学气相沉积方法，在镍箔和镍网表面直接生长碳纳米管森林结构，实现碳纳米管与金属基底之间的紧密结合，构筑了一体化复合材料体系。与气态或液态碳源相比，使用固态碳源制备碳纳米管，核心优势在于成本更低、操作更安全简便，这大大降低了对高纯度气体（如甲烷、乙烯）的依赖，且碳纳米管生长无需复杂的进气和流量控制系统，反应甚至可以在密闭容器中进行。

原位生长碳纳米管森林，构筑稳定复合界面

与传统物理混合或粘结复合方式不同，该研究通过“原位生长”的方式，使碳纳米管直接形成于镍基底表面，避免了粘结剂引入导致的界面阻碍问题。

形成的三维碳纳米管森林结构具有丰富的纳米界面和连续导电网络，不仅保持了镍基底良好的机械完整性，同时赋予材料更加丰富的功能特性，为电磁调控和热管理应用提供了结构基础。

此外，碳纳米管森林形成的微纳尺度粗糙表面，使复合材料表现出优异的润湿调控能力。实验结果显示，Ni/CNT复合材料水接触角可达到约150°，并表现出良好的环境稳定性，为其在复杂服役条件下的应用提供保障。

Fig.2（宏/微观形貌及疏水性能测试）

高效电磁屏蔽性能，实现复杂电磁环境防护

碳纳米管森林独特的三维网络结构为电磁波提供了多重损耗路径。当电磁波进入复合材料内部后，会在碳纳米管网络和镍基底之间经历多次反射、界面极化以及导电损耗过程，使电磁能量逐渐衰减。

在电磁波吸收性能研究中，团队系统分析了材料的介电损耗、磁损耗以及阻抗匹配特性。结果表明，碳纳米管网络中的导电损耗、界面极化效应以及镍基底引入的磁损耗共同作用，实现了对入射电磁波的有效衰减。其中，1000 ℃制备的Ni/CNT复合材料表现出更优的阻抗匹配特性，在4 GHz处获得最低反射损耗（RLmin）约−23.5 dB，展现出良好的电磁波吸收能力。

进一步研究发现，Ni/CNT复合薄膜展现出优异的电磁屏蔽性能。其中，0.1 mm厚度样品最大电磁屏蔽效能达到115.5 dB，表现出超过传统商业防护需求的屏蔽能力。

该优异性能主要来源于碳纳米管森林结构带来的协同作用：连续导电网络增强电子传输过程，大量CNT-Ni界面促进界面极化，同时多孔结构延长电磁波传播路径，实现高效能量耗散。

Fig.3（电磁波吸收性能测试）

Fig.4（电磁屏蔽性能测试）

快速热响应，实现多功能热管理应用

除电磁防护功能外，该复合材料还表现出优异的热转换能力。在焦耳热测试过程中，Ni/CNT复合膜能够快速响应外部电刺激，实现高效升温。其中，较薄厚度样品呈现出更加快速的温升能力。同时，碳纳米管森林结构能够增强材料对太阳光的吸收能力，实现高效光热转换。在模拟太阳光照射条件下，复合材料表面温度可快速升高至100 ℃以上，展现出在主动除冰、热管理以及特殊环境装备中的应用潜力。

Fig.5（焦耳热性能测试）

Fig.6（光热转换性能测试）

构建面向未来应用的多功能材料平台

本研究通过在镍基底表面构筑碳纳米管森林结构，实现了传统金属材料由单一功能向多功能集成方向的发展。所制备的Ni/CNT复合材料兼具优异电磁屏蔽性能、快速热响应能力以及良好的环境适应性，为先进电子设备防护、航空航天装备以及智能热管理系统提供了新的材料设计方案。

碳纳米管制备方法目前占主流的是化学气相沉积方法。除此以外，近年也出现了前驱体热解方法制备碳纳米管。课题组近年选取柠檬酸绿色小分子以及氨基小分子作为碳源，将这一在发展成熟的合成碳量子点的经典方法拓展成有效的低成本与宏量化碳纳米管制备技术。相对于化学气相沉积方法依赖的碳源主要为甲烷、乙烯、乙炔以及其他混合气源，由有机分子衍生的固态碳源有希望重塑碳纳米管制备过程中碳源供给的安全性与可控性，更适用于低成本、宏量化以及器件化碳纳米管及其复合材料的制造。未来研究团队将继续围绕固态碳源前驱体的碳纳米管材料结构调控与功能优化开展研究，进一步优化催化剂等实验参数推动碳纳米管多功能复合材料的器件化，促进碳纳米管其在实际工程领域中的应用。

Fig.7综合性能展示图

论文信息：

论文题目：Creation of carbon nanotube forest on nickel substrates and their electromagnetic performances with multiple functionalities

第一作者：于益成（哈尔滨工业大学博士生）

通讯作者：李经纬（哈尔滨工业大学助理研究员）、李建军（哈尔滨工业大学副教授）

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤