华南农业大学胡传双教授、徐江涛副教授团队 JMST:基于闪速焦耳热技术利用废旧棉织物制备MoS₂/C 复合电磁波吸收材料

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近期，华南农业大学胡传双教授、徐江涛副教授团队《Journal of Materials Science & Technology》，发表题为“Flash Joule heating enabled MoS₂/carbon composites from waste cotton fabric with tunable interfaces for electromagnetic wave absorption”的研究文章。华南农业大学徐江涛副教授、胡传双教授为共同通讯作者，华南农业大学博士后王臣臣为文章第一作者。针对碳基吸波材料易因过高电导率导致阻抗失配、极化损耗不足等问题，研究团队提出“水热原位生长—闪速焦耳热碳化”的双温度调控策略，以废旧棉织物为前驱体制备 MoS₂/碳（MoS₂/C）复合吸波材料。水热过程用于调控MoS₂的成核、生长与界面密度，闪速焦耳热过程则快速碳化纤维素骨架并调节碳结构有序化程度，从而实现极化弛豫与导电损耗的协同优化。优化样品 M140-C800 在 8.59 GHz 处获得 -51.04 dB 的最小反射损耗，并在电磁干扰环境下展现出良好的器件防护潜力。

图1 废旧棉织物衍生 MoS₂/C 复合材料的制备与形貌演化

图1展示了MoS₂/C复合材料的整体制备路线及不同闪速焦耳热温度下的微观形貌变化。研究首先以废旧棉织物为基体，经水热反应在纤维表面原位生长 MoS₂，随后利用闪速焦耳热实现快速碳化，获得 Mx-Cx 系列复合材料。该方法既保留了棉织物原有的三维互联纤维网络，又在纤维表面构建了粗糙的颗粒化异质界面。SEM 图可以看出，不同碳化温度显著影响纤维骨架与表面颗粒结构。较低温度下，纤维表面颗粒负载较为均匀，有利于形成连续的导电网络和丰富的界面极化位点。温度进一步升高后，颗粒发生烧结和堆积，部分微/纳米间隙被破坏，可能削弱电磁波多重散射和界面损耗。

图2 MoS₂/C 复合材料的异质界面与缺陷结构

图2通过 HR-TEM 和元素映射进一步揭示了 M140-C800 的微观结构特征。TEM 图像显示，MoS₂成功原位生长并锚定在碳纤维骨架上，形成紧密接触的 MoS₂/C 异质界面。局部高分辨图像中可观察到不连续晶格条纹和结构畸变，表明材料内部存在丰富缺陷，这些缺陷可作为电荷俘获和偶极弛豫位点，增强电磁场作用下的极化损耗。元素映射结果显示 C、O、S、Mo 等元素分布均匀，证明 MoS₂ 在纤维衍生碳骨架中实现了较好的分散和稳定负载。

图3.结构组成、相态与化学键合分析

图3系统展示了材料的热稳定性、晶体结构、缺陷程度和表面化学态。TG 曲线表明，水热前驱体在碳化过程中主要经历吸附水脱除、纤维素骨架分解和碳骨架稳定化三个阶段。Mo 相关组分的引入有助于抑制纤维素快速分解，提高材料在后续闪速焦耳热处理中的结构稳定性。XRD 结果证明材料中同时存在 1T-MoS₂和 2H-MoS₂特征峰，并且随着碳化温度升高，碳骨架的有序化程度逐步增强。Raman 光谱中D 峰和G 峰反映出碳骨架由缺陷丰富状态向更有序石墨化结构演变。同时，低波数区的特征峰进一步证实 1T/2H-MoS₂共存。1T/2H 相界能够调节局部电导并增强界面极化，是提升多机制电磁衰减的重要结构基础。XPS 分析进一步揭示了 Mo-C、C-SO_x、Mo-N 以及多种含氮官能团等化学结构。Mo-C键说明 MoS₂与碳骨架之间存在较强界面耦合。硫空位、高价态 Mo 以及吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等结构则可提供额外极化中心并调控电荷传输。

图4 不同碳化温度下的电磁波吸收性能

图4比较了 M140-C400、M140-C800、M140-C1200 和 M140-C1600 在 2–18 GHz 范围内的反射损耗表现。结果显示，M140-C400 已具备较好的吸波能力，最小反射损耗为 -31.66 dB，但有效吸收区域主要集中在中高频范围，宽带覆盖能力有限。当碳化温度提高至 800 °C 时，材料吸波性能显著增强，M140-C800 获得 -51.04 dB 的最小反射损耗和 3.5 GHz 的有效吸收带宽，表现出最佳强吸收能力。继续升温至 1200 °C 后，M140-C1200 仍保持较强吸收，并获得更宽的有效吸收带宽；但当温度升至 1600 °C 时，材料性能急剧下降，最小反射损耗仅为 -3.76 dB。适度碳化可促进导电网络形成并保持丰富界面极化，而过高碳化温度会导致导电网络过度发育，使入射电磁波在材料表面发生强反射，反而削弱吸波能力。

图5 介电参数与导电/极化损耗贡献分析

图5进一步分析了不同样品的复介电常数、介电损耗角正切、Debye 弛豫行为以及导电损耗和极化损耗贡献。由于体系中不含磁性组分，材料的电磁波吸收主要由介电响应主导。随着频率升高，ε′和ε″ 整体呈下降趋势，体现出典型的介电色散行为，这与偶极和界面电荷在高频交变电场中的响应滞后有关。不同碳化温度样品的介电参数差异显著。M140-C800 具有较为平衡的介电响应，有利于兼顾电磁波进入材料内部和后续能量耗散。Debye 弛豫分析和 Cole-Cole 曲线表明，M140-C400、M140-C800 和 M140-C1200 均存在多个极化弛豫过程，而 M140-C1600 中导电损耗占比明显提升。定量分析显示，M140-C800 仍保持较高极化损耗贡献，说明其吸波性能不是单纯依赖导电网络，而是来源于界面极化、偶极极化和适度导电损耗的协同。

图6 阻抗匹配、衰减能力与吸波机制示意

从阻抗匹配、衰减常数、性能对比和机制示意四个方面总结了材料的吸波机理。阻抗匹配图显示，M140-C400 和 M140-C800 在较宽频率—厚度范围内具有接近 Z≈1 的区域，说明入射电磁波能够较顺利进入材料内部。其中M140-C800 的最佳匹配区域与有效吸收区域高度吻合，因此能够实现极低反射损耗。衰减常数分析显示，随着碳化温度升高，材料内部能量耗散能力增强，但高衰减能力并不必然对应最佳吸波性能。M140-C800则在良好阻抗匹配和足够内部损耗之间取得最佳平衡。机制示意图进一步概括了材料的多重吸波路径：废旧棉织物衍生碳骨架中的缺陷、官能团和杂原子位点贡献偶极极化。MoS₂/C 异质界面诱导界面电荷积累与弛豫。1T/2H-MoS₂相界丰富极化路径连续碳骨架提供适度电子迁移和微电流损耗。三维纤维网络及微孔/间隙结构延长电磁波传播路径并增强多重反射和散射。

图7 雷达散射截面降低与远场电磁仿真

图7通过 CST 远场仿真验证了材料在雷达散射抑制方面的应用潜力。与纯 PEC 模型相比，涂覆 MoS₂/C 复合材料后，三维散射强度明显降低，说明该纤维基吸波层能够有效削弱镜面反射。其中，M140-C800 表现出最强的散射抑制能力，在 θ = 0° 入射条件下最大雷达散射截面降低达 26.1 dBm²。表面电流分布进一步显示，M140-C800 的表面电流强度明显低于其他样品，说明其能够有效抑制导致强反射的同相表面电流振荡。电场和功率损耗密度分布图表明，在较高频率下，纤维交织节点、弯曲区域和微间隙处出现明显电场局域化和能量损耗热点，证明材料内部具有较强的电磁能量重新分布和耗散能力。

图8 NFC 器件封装与抗电磁干扰验证

图8展示了 M140-C800/环氧树脂复合封装层在 NFC 系统中的实际防护效果。在无外部干扰条件下，封装前后的 NFC 标签均可被正常识别，说明该吸波封装层不会明显影响 NFC 的正常耦合和读写功能。在外部电磁干扰条件下，未封装 NFC 标签无法建立稳定连接，而 M140-C800/环氧树脂封装后的 NFC 标签仍能保持正常通信。这表明该复合材料封装层能够有效削弱外部电磁干扰，同时维持器件本身功能稳定。

结论

本研究以废旧棉织物为可持续碳源，通过水热原位生长 MoS₂与闪速焦耳热碳化相结合，构筑了具有三维互联纤维网络、丰富 MoS₂/C 异质界面、多级微间隙和缺陷极化中心的高性能电磁波吸收材料。优化样品 M140-C800 实现了 -51.04 dB 的最小反射损耗、3.5 GHz 的有效吸收带宽、26.1 dBm²的最大雷达散射截面降低，并可保障 NFC 器件在外部电磁干扰下稳定运行。该工作为废旧纺织品高值化利用和轻质高效电磁防护材料开发提供了可规模化、可推广的新思路。

课题组简介：

欢迎对该团队研究方向感兴趣的同学(硕士生、博士生、博士后)加入该团队。联系方式：y.zhou@scau.edu.cn

原文信息

C. Wang, Z. Zhong, C. Hu, J. Yang, J. Li, X. Lin, Y. Zhou, W. Zhang, J. Xu. Flash Joule heating enabled MoS₂/carbon composites from waste cotton fabric with tunable interfaces for electromagnetic wave absorption. 

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.05.004

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