生物质衍生纳米碳材料（nano carbon spheres, NCSs）与纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）因可再生、可降解、来源丰富且环境友好，被视为替代传统石油基功能材料的理想候选。安徽农业大学张庆法教授团队采用真空辅助自组装技术构建了全生物质NCSs/CNFs复合膜（NCF）。



安徽农业大学张庆法教授团队以小麦秸秆为原料，通过两步碳化-球磨-超声分散制备氮掺杂碳微球（NCSs），并基于深共熔溶剂法提取纤维素纳米纤维（CNFs），采用真空辅助自组装技术构建了全生物质NCSs/CNFs复合膜（NCF）。

当NCSs与CNFs质量比为5:5时，复合膜表现出最优性能：拉伸强度41.74 MPa、韧性1.09 MJ/m³、热导率2.21 W/(m·K)、X波段电磁屏蔽效能23.77 dB，且弯折稳定性与红外隐身性能优异，为可持续柔性电子材料的设计提供了新思路。

相关成果该工作以“All-Biomass Nanocomposite Films via Facile and Sustainable Design Procedure for Thermal Management and Electromagnetic Interference Shielding” 为题发表在《Advanced Science》上。


01

背景介绍

随着5G信息技术及高功率电子器件的迅猛发展，设备集成度与功率密度持续提升，导致热量积聚与电磁干扰（EMI）问题日益突出。传统金属、陶瓷或石墨基散热/屏蔽材料虽具优异导热/导电性能，但其高密度、高成本及加工局限严重制约了轻量化、柔性化及低成本电子系统的设计需求。

因此，开发兼具高效热管理、优异电磁屏蔽以及良好力学可靠性的轻质、柔性、低成本复合材料已成为当前电子材料领域的核心挑战。生物质衍生纳米碳材料（nano carbon spheres, NCSs）与纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）因可再生、可降解、来源丰富且环境友好，被视为替代传统石油基功能材料的理想候选。然而，如何优化NCSs/CNFs界面相容性、构筑连续导电/导热网络并协同提升多重性能仍缺乏系统研究。




02

文章摘要

本研究以生物质小麦秸秆为唯一碳源，通过两步碳化-球磨-超声分散工艺制备NCSs，并利用深共熔溶剂法由同一秸秆提取高长径比CNFs。采用真空辅助自组装技术构筑了不同质量比的NCSs/CNFs全生物质纳米复合膜（NCF）。

结果表明：高温石墨化赋予NCSs有序sp²碳晶格及三维互连多孔结构，促使其与CNFs通过π–π堆积和氢键形成致密界面网络。当NCSs与CNFs质量比为5:5时（NCF 5:5），复合膜呈现最优综合性能：拉伸强度41.74 MPa、韧性1.09 MJ m⁻³、面内热导率2.21 W m⁻¹ K⁻¹、X波段（8.2–12.4 GHz）EMI屏蔽效能23.77 dB，且经100次弯折后性能无衰减。此外，NCF 5:5在不同温度环境下均表现出优异的红外隐身能力。该工作为开发可持续、低成本、轻量化的柔性多功能电子材料提供了新思路。



03

BRCAM 2025 | Advanced Science ：全生物质基多功能复合膜研究新突破

文章内容


1、微结构调控：TEM、SEM、BET及AFM表征证实，NCSs呈20 nm左右薄层石墨化球体，比表面积达108 m² g⁻¹；CNFs直径5–20 nm，高长径比构建连续网络。NCF 5:5中NCSs均匀嵌入CNFs基体，界面致密无孔隙，Ra≈136 nm，显著增加有效接触面积。

2、力学性能机制：组分优化使应力通过CNFs网络有效传递，NCSs通过裂纹偏转、摩擦滑移及拔出效应提高韧性；过量NCSs导致团聚与应力集中，性能骤降。

3、热输运行为：NCSs高固有热导率与CNFs声子耦合协同，构建面内连续导热通路；NCF 5:5在高功率陶瓷热源测试中温升显著低于CF，且具备宽温区红外伪装能力（ΔT<3 °C）。

4、电磁屏蔽机理：随NCSs含量增加，屏蔽机制由反射主导转变为吸收主导；NCF 9:1的SET达36.47 dB，商用20 dB标准以上。多层界面极化（MWS效应）及多孔结构多重散射延长电磁波传播路径，增强介电损耗与导电损耗耦合。

5、循环稳定性：NCF 5:5经100次拉伸循环后应力-应变曲线几乎重合；100次弯折后EMI屏蔽性能保持恒定，显示优异机械与电磁可靠性。

6、工艺可扩展性：全生物质原料、室温真空过滤成膜、无需有机溶剂，符合绿色制造与规模化生产需求。

图1 碳纳米管、碳纳米管和碳纳米管/碳纳米管复合薄膜的合成示意图
图2 CNFS的电子显微镜图像和扫描电子显微镜图像。C)电子显微镜图像和D)扫描电子显微镜图像。E)NCSs的氮吸附-脱附等温线。F)数码照片，G)扫描电子显微镜图像，H)水接触角，I)FTIR光谱，以及J)X射线衍射谱：CF、NCF1：9、NCF3：7、NCF5：5、NCF7：3和NCF9：1。K-M)XPS谱，NCF5：5的FC 1S、N 1S和O 1S。P)NCFs的拉曼光谱。Q)NCSs和CNFS之间的相互作用机制示意图。

图3 a)应力-应变B)抗拉强度和弹性模数。C)断裂伸长率和韧性。D)100次拉伸后NCF5：5的应力-应变关系。E)与其他已报道的复合膜的强度和韧性增强率的比较。F)机械变形下NCF5：5的照片。G)断口的扫描电子显微镜图像。H)强韧化机制

图4 a)面内导热系数。B)平面外导热系数。C)将测试样品演示为高功率陶瓷板的散热装置。D)温升曲线。E)红外热像仪。F)热伪装图解。G)热传导机制。
图5 a)电导率。B)EMI SE和C)SER、SEA和SET。D)EMI SE和E)SER、SEA和SET。F)功率系数(T：透射率，R：反射，A：吸收)。G)100个弯曲循环前后NCF5：5的EMI SE。H)移动电话无线充电的NCF屏蔽的实际演示。I)各种复合膜的电磁屏蔽效果和价值的比较。J)电磁干扰屏蔽机制。



04

总结展望

本工作首次实现了全生物质NCSs/CNFs纳米复合膜的可控制备与多功能一体化。通过精准调控NCSs与CNFs比例，构建π–π堆积与氢键协同界面，成功解决了传统碳基复合膜力学-导热-电磁性能难以兼顾的难题。NCF 5:5在柔性电子、可穿戴热管理及环境友好电磁屏蔽领域表现出显著应用潜力，并为下一代可持续、轻质、高性能多功能材料的开发提供了普适性设计范式。




05

会议介绍

一带一路国际先进材料大会（BRCAM）绿色可持续论坛，聚焦生物质高效预处理与增值转化，突破绿色复合材料改性及应用瓶颈，升级绿色农业材料与技术，以及废弃高分子绿色回收四大主题论坛。将通过汇聚全球国内外顶尖学者、产业领袖，旨在搭建“产学研用”融合平台，通过国际合作，共享技术成果、共建联合实验室与技术转移中心、优化产业链布局，共同推动全球生物基增值转化与循环、绿色农用材料的高质量发展。

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