在材料科学的前沿领域，清华大学伍晖教授领导的研究团队在国际著名期刊《Small》上发表了题为“High-Performance Multifunctional Carbon Fibrous Sponges Derived from Pitch”的论文，展示了一种基于激光微熔喷射技术的创新成果——高性能三维多孔沥青基碳纤维海绵。
与传统碳纤维材料相比，这种超细碳纤维海绵以其超轻重量、高孔隙率、良好的可压缩-回弹性，具有显著的性能优势。在环境、能源和电子等多个重要应用领域展现出巨大的潜力和应用价值。
该团队采用激光辅助熔喷纺丝新技术，结合预氧化交联与高温碳化工艺，成功制备了具有三维多孔结构的沥青基碳纤维海绵。这种新型海绵具备超低密度（约20 mg/cm3）、高孔隙率（约99%）、优异的可压缩性（80%最大应变）和导电性（约628西门子/米），在油类/有机溶剂吸附和电磁屏蔽方面表现卓越。
实验结果显示，该海绵的油/有机溶剂吸附能力超过56 g/g，并且在经过十次吸附-脱附循环后，对二甲基亚砜（DMSO）溶剂的吸附容量仍高达45 g/g。在电磁屏蔽效能方面，碳纤维海绵在X波段范围内的总屏蔽效能（SE）超过60 dB，其特定体积电磁屏蔽效率达到了1466 dB·cm3/g。
图1. 基于激光微熔喷射纺丝炭化制备三维多孔沥青碳纤维海绵的制备示意图
图2. 碳纤维材料的机械性能表征。a) 对碳纤维毡材料进行拉伸、弯曲和扭转力的测试；b)对碳纤维海绵进行应力-应变测试；c) 碳纤维海绵在不同变形条件下的应变-应力测试；d) 碳纤维海绵在不同循环周期条件下的应变-应力测试；e) 碳纤维海绵在不同周期条件下的能量损耗系数△U/U和应力维持变化。
图3. 碳纤维海绵的油/有机溶剂吸收性能。a) 3D 碳纤维海绵和吸油过程的示意图；b) 碳纤维海绵的疏水性和亲油性特性表征；c) 碳纤维海绵的镜面反射现象；d) 在不同油或有机溶剂条件下，商业碳纤维海绵、商业聚丙烯纤维海绵和碳纤维海绵的吸收能力比较；e) 蒸发法研究碳纤维海绵的可循环性能；f) 挤压法研究碳纤维海绵的可循环性能
图4. 碳纤维海绵的电磁屏蔽性能。a) 通过屏蔽WiFi发射器来验证碳纤维海绵的电磁屏蔽实用性（覆盖后：157.5 dB；覆盖前：10.5 dB）；b-d) 碳纤维海绵在5-18 GHz频率范围内的反射电磁屏蔽效能（红色）和吸收屏蔽效能（蓝色）（厚度为0.94 cm）；e) 碳纤维海绵的电磁屏蔽原理示意图；f) 不同面密度的碳纤维海绵的电磁屏蔽性能（分别为4.48、6.27、9.17、15.09和19.12 mg/cm2，10 GHz）；g) 碳纤维海绵与其他典型碳基多孔材料的屏蔽效能对比
该项研究得到了国家自然科学基金（NSFC）基础科学中心项目的支持。相关成果以“High-Performance Multifunctional Carbon Fibrous Sponges Derived from Pitch”为题发表在Small期刊上。文章通讯作者为清华大学的伍晖教授和李勃研究员，共同第一作者是清华大学博士生王海杨、香港大学博士后柏霄鹏博士后以及北京邮电大学博士生吴宇峰。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202401939
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