西工大宋强/叶昉/范晓孟团队：基元调控与基底工程实现石墨烯包覆电磁热织物纤维

本文亮点

1. 基元调控，结构可调：通过温度调控甲醇裂解产生的C₁/C₂/C₆基元比例，实现石墨烯微观结构从缺陷型到高度织构化的演变。

2. 协同策略，阻值精调：结合基元操控与甲醇-CVD过程中的基底效应，实现石墨烯纤维方阻在26-150 Ω/sq范围内的精细调控。

3. 灵活设计，功能集成：利用激光选区刻蚀得到具有频率选择表面(FSS)的石墨烯纤维布，在保持高效焦耳加热的同时，实现了优异的电磁波宽带透过(7.29 GHz带宽/60%透波率)。

研究背景

随着航空航天、卫星通信及智能穿戴技术的飞速发展，能够同时兼顾承载、电磁波透过和热管理(如除冰、红外伪装)的多功能纤维增强复合材料(FRCs)成为研究热点。然而，传统的透波纤维(如石英、玻璃纤维)是典型的绝缘体，缺乏电学功能；而现有的石墨烯改性手段(如涂层、掺杂)往往面临导电性能不均匀、电阻难以精准控制以及“高导电性与高透波性”之间难以调控的矛盾。因此，如何在原子/分子尺度上揭示石墨烯在纤维表面的生长机制，并实现电学特性的定制，是制备高性能多功能织物的核心挑战。

内容简介

针对上述挑战，提出了一种基于基元操控的同步调控策略。西工大宋强/叶昉/范晓孟团队选用甲醇作为前驱体，通过低压化学气相沉积在SiO₂纤维表面构筑石墨烯涂层。该研究深入探讨了气相中的碳基元动力学与固相基底效应的相互作用，揭示了石墨烯从缺陷型底层到高度织构化表层的梯度生长规律。基于此理论，团队通过激光图案化设计，研制出一种兼具宽带透波和高效焦耳热性能的纤维织物，为多功能复合材料的结构/功能一体化设计提供了新思路。

图文导读

I 气相动力学：甲醇热解与基元演化机制

研究首先通过理论模拟和实验验证，阐明了前驱体甲醇在不同温度下的热解路径。如图1所示，甲醇的热解是一个复杂的基元反应过程。如图1a-b所示，随着沉积温度从1000 °C升高到1200 °C，气相中碳基元的种类和比例发生了显著变化。在较低温度下，C₁基元(如CH₃·)占据主导地位，其成核位点多且扩散能力弱，易形成具有较多边缘缺陷的石墨烯微观结构；而在高温下，C₆基元(如C₆H₆)的比例大幅提升。这种预形成的环状结构有利于石墨烯的快速“拼凑”生长，从而获得大晶粒尺寸和高织构化的石墨烯。

图1.  基于Chemkin的甲醇高温热解产物计算，关键碳基元(CH₃·, C₂H₂, C₆H₆)浓度随温度和停留时间的演化规律及反应路径。

II 微观结构演变：从无序到有序的生长路径

通过对不同温度下制备的石墨烯纤维进行形貌和结构表征，验证了基元调控的有效性。如图2所示，SEM和HRTEM结果清晰地展示了石墨烯层在纤维表面的演变过程。在1000 °C时，纤维表面的石墨烯层较薄且连续性差，拉曼光谱显示出较高的D峰；随着温度升至1100 °C，纤维被致密、高度结晶化的石墨烯完全包覆。值得注意的是，靠近基底的石墨烯由于基底限制作用呈现出扭曲和缺陷(G1型)，而外层石墨烯则表现出高织构的排列(G2型)，这种双层石墨烯结构为电阻的精准调控提供了物理基础。

图2. 石墨烯的SEM、TEM及电子衍射表征。

图3. 石墨烯在不同沉积温度及激光强度下的缺陷程度及结构演化趋势。

III 石墨烯在不同沉积温度及激光强度下的缺陷程度及结构演化趋势

为了确定在SiO₂表面生长的双层石墨烯结构以及解释其原因，延长了沉积时间并记录了石墨烯的结构演变。在沉积速率较慢的1050 °C下，石墨烯完全覆盖SiO₂纤维需要超过2小时的沉积时间(图4)。在1200 °C下，初始沉积不足1小时，石墨烯覆盖仍不连续。延长沉积时间可实现均匀的表面覆盖，并可观察到表面密集堆积的纳米片(多层岛)，拉曼结果显示，当沉积时间达到3 h时，1050 °C的样品出现了G2峰。在1200 °C下延长沉积时间，G2峰逐渐增强并超过G1峰。上述结果证明了SiO₂表面生长的双层石墨烯结构的形成。之后，引入了DFT计算并解释石墨烯的生长行为。如图4所示，DFT计算结果(图4)表明，SiO₂基底对C₁基元的吸附能较低，三层石墨烯基底对C₁基元的吸附能较高，并且C₁基元在石墨烯基底表面的扩散能低。这意味着在沉积初期，含量占据主导的C₁基元易吸附但在SiO₂上扩散困难，极易形核，形成缺陷较多的石墨烯。然而，三层石墨烯(G1)形成后，后续C₆基元在石墨烯表面的吸附能未明显升高，并且扩散能较低，从而能够有序排列形成高质量的表层(G2)。这种“基底限制-表面自催化”的机制解释了石墨烯质量随厚度增加而提升的原因，也指导了通过控制沉积时间来实现方阻的精细调节。

图4. 石墨烯的微结构演变与DFT理论计算。

图5. 石墨烯生长机理。

IV 方阻精细调控

沉积温度决定了甲醇热解过程中碳基元(如C₁/C₂/C₆)的种类与浓度分布，而沉积时间则反映了基底效应对碳簇迁移率的影响。通过“基元调控”与“基底效应”的协同作用，实现了对石墨烯(Gr)微观结构的精确工程化。实验表明，随沉积温度升高，石墨烯覆盖率增加并形成连续导电通路，方阻显著降低。相比传统策略，本研究利用甲醇-CVD工艺在26-150 Ω/sq的实用阻值区间内实现了极高精度的精细调控，为先进多功能设计提供了独特的调控手段。

石墨烯纤维织物的电磁响应由导电损耗、缺陷诱导的偶极极化以及阻抗匹配共同决定。研究揭示，反射率随电导率提升而增加，而透波率呈反向变化。1100°C制备的样品表现出最佳吸波性能，其机理在于：中等电导率实现了与自由空间的良好阻抗匹配，使电磁波更易进入材料内部；同时，较高的缺陷密度提供了显著的偶极极化损耗。屏蔽效能分析进一步确认，吸收屏蔽占据主导地位，证明其机理为吸收驱动型屏蔽。

石墨烯纤维织物表现出优异的电热转换能力。根据焦耳定律，辐射温度随偏置电压升高而单调增加。得益于石墨烯在纤维表面的连续网络，织物在热平衡状态下展现出极佳的表面温度均匀性。在1200 °C下生长1 h的样品在30V电压下即可实现高效加热，体现了高度织构化石墨烯优异的电子传输效率。

图6. 石墨烯纤维织物的方阻调控规律、电磁参数(R/T/A)以及高效均匀的焦耳热转换性能。

V 多功能应用：激光刻蚀FSS与电磁-热综合性能

为突破导电层导致的电磁屏蔽限制，引入频率选择表面(FSS)结构进行电磁调制。通过对比不同FSS配置，选定“带通型”结构以兼顾宽带通信与焦耳热功能(需保持面内连续导电网络)。利用激光扫描技术，在不损伤纤维基底的前提下，通过热力和机械效应的选择性刻蚀，将连续石墨烯薄膜转化为具有特定电磁响应的超表面。

刻蚀后的织物在8-18 GHz频率范围内透波性能显著提升(峰值达77%)，有效透波带宽(ETB)达5.66 GHz。该材料表现出卓越的机械鲁棒性(弯曲半径低至5 mm时阻值变化极小)和热循环稳定性(100次循环波动<±1 °C)。此外，石墨烯固有的疏水性使其焦耳热性能在不同湿度环境下均能保持稳定，具备应用的潜力。

图7. 激光刻蚀FSS对织物电磁透波性能的有效调制及其在复杂力学及湿度环境下的热管理稳定性。

在实际集成应用中，石墨烯纤维织物与亚克力板构成夹层结构，亚克力板的相位调制作用将ETB进一步扩展至8.48 GHz(透波率>60%)。研究发现，在焦耳加热过程中，反射与透波谱向低频漂移。机理分析表明，这并非源于石墨烯电阻的变化，而是由于亚克力材料的介电常数实部随温度升高而增加。在105V下，该系统实现了72°C的平衡温度与7.29 GHz的超宽透波带宽，达成了电磁透波与热管理的协同。

与金属纤维(高反射、难图案化)、碳纳米管(阻值偏高)及导电聚合物(稳定性差、调控范围窄)相比，甲醇-CVD生成的石墨烯纤维织物在中低阻值区间展现出无可比拟的精细调控能力、热响应速度及激光图案化潜力。尽管目前受FSS网格化限制存在局部热分布不均，但未来通过引入高导热、透波基底(如BN或Si₃N₄)提升面内热传输，将为先进电磁-热一体化装备提供理想的材料方案。

图8. 夹层结构的超宽带透波与焦耳加热协同性能。

VI 总结

甲醇沉积石墨烯工艺通过基元操控与基底工程，实现了对石墨烯SiO₂织物微观结构的精确控制 。低温条件下倾向于生成C₁基元，从而形成富含缺陷的石墨烯；而高温条件下则会富集C₂/C₆芳香族基元，进而生成高导电石墨烯。C₁基元的吸附能力在不同基底上存在显著差异。随着SiO₂表面石墨烯层数的增加，吸附能逐渐升高，导致C₁基元成核困难。当石墨烯达到三层时，C₁基元的吸附能趋于稳定，解释了SiO₂基底上石墨烯从单层向双层结构演变的过渡行为。这种独特的双层石墨烯结构赋予了材料电阻的精确可调性，使得石墨烯纤维织物的方阻能够在26-150 Ω/sq的范围内进行精细调节。

为了验证其在通信与电热集成应用中的潜力，研究制备了具有FSS构型的石墨烯纤维织物。通过激光图案化技术构筑带通型FSS，在保留焦耳热性能的同时，将电磁波透过率从3.3%大幅提升至77%。进一步将石墨烯纤维织物与透波薄板层压制备成夹层结构，充分验证了电磁波透过与焦耳加热之间的协同效应。在105 V的外加偏压下，该夹层结构能够维持7.29 GHz的宽带透波(透波率>60%)以及72 °C的稳定发热。该工作为制备兼具电磁-热多功能的石墨烯纤维复合材料提供了一条极具扩展性的路径，成功克服了传统纤维的固有局限性。

Graphene-skinned Fiber with Fine Tunable Electrical Resistance via Radical and Substrate Engineering for Electromagnetic-Thermal Fabric
Jie Liang, Zhaochen Li, Fang Ye*, Yuchen Cao, Yi An, Xiaomeng Fan*, Qiang Song*

Nano-Micro Letters (2026)18: 263

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02117-8

作者简介

宋强
本文通讯作者

西北工业大学 教授
▍主要研究领域
主要从事碳基耐高温复合材料研究工作。
▍主要研究成果

西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级青年人才，全国高校黄大年式教师团队和超高温结构复合材料国防科技重点实验室成员。主持国家自然科学基金5项，在Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文50余篇，授权国家发明级专利15件。
▍Email：songqiang511@nwpu.edu.cn

叶昉
本文通讯作者

西北工业大学 教授
▍主要研究领域
长期从事高温承载电磁功能一体化陶瓷基复合材料、新型防隔热一体化陶瓷基复合材料研究工作。
▍主要研究成果

西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级青年人才，全国高校黄大年式教师团队和超高温结构复合材料国家级重点实验室成员。主持国家自然科学基金，重点研发计划青年科学家项目等。在Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.等国际知名学术期刊发表论文70余篇，授权国家发明专利40余件。
▍Email：yefang511@nwpu.edu.cn

范晓孟
本文通讯作者

西北工业大学 副教授
▍主要研究领域
主要从事吸波陶瓷基复合材料和零膨胀陶瓷基复合材料研究工作。
▍主要研究成果

西北工业大学材料学院副教授，博士生导师，全国高校黄大年式教师团队和超高温结构复合材料国防科技重点实验室成员。先后主持重点研发计划课题、自然基金面上项目等，担任《Journal of Advanced Ceramics》、《现代技术陶瓷》编委会委员，在Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Powder Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文80余篇。
▍Email：fanxiaomeng@nwpu.edu.cn