基于纤维素纳米纤维的层状亚太赫兹吸收片材，适用于5G/6G应用

《Advanced Materials Technologies》：Cellulose-Nanofiber-Based Layered Sub-Terahertz Absorbing Sheets for B5G/6G Applications

　　纤维素纳米纤维电磁波吸收材料研究；B5G/6G；亚太赫兹；碳纳米管复合层；电磁兼容；屏蔽效能；可降解材料；三层结构；波吸收；环境友好

　　
在第六代（6G）及后续无线通信技术中，亚太赫兹（0.1-10 THz）频段因其高带宽潜力成为研究热点。然而，该频段电磁波的屏蔽与吸收技术面临材料选择与环境可持续性双重挑战。近期研究通过多层结构设计实现了高效电磁波吸收，但传统方案多依赖金属或不可降解聚合物，存在处理困难与环境污染问题。日本学者团队创新性地采用纤维素纳米纤维（CNF）与碳纳米管（CNT）复合体系，开发出一种兼具高性能与环保特性的亚太赫兹吸收层。

研究首先基于纤维素纳米纤维的固有特性展开探索。CNF作为天然植物纤维的纳米级结构，具有卓越的力学性能与可生物降解特性，但其介电损耗较低（tanδ≈0.05）。通过引入微量碳纳米管（0.15 wt.%），其表面缺陷态与晶格振动可显著增强介电损耗（tanδ提升至0.63），同时保持材料厚度低于1毫米。当碳纳米管浓度增至6 wt.%时，材料在300 GHz处实现了270的高介电常数与1.6的损耗角正切值，为电磁波吸收提供了关键参数。

团队采用三层萨里屏（Salisbury screen）结构设计，通过优化各层厚度与碳纳米管分布比例，构建出120微米超薄吸收层。该结构包含：表层（0.15 wt.% CNT-CNF）作为阻抗匹配层，中层（纯CNF）作为介质隔离层，底层（6 wt.% CNT-CNF）作为反射层。通过调整各层厚度（20/74/26微米），使有效光程达到λ/4谐振条件（300 GHz处λ=1000微米）。实验证实，该结构在300 GHz处屏蔽效能达28.5 dB（T=0.14%），反射率仅2.5%，吸收率达97.4%。值得注意的是，吸收性能与入射角度存在显著关联：从低浓度层入射时，多层结构可实现反射波相位抵消；而从高浓度层入射时，反射波叠加导致性能下降，这揭示了表层阻抗匹配层的关键作用。

环境友好性是本研究的核心创新点。相较于传统金属薄膜或有机聚合物基吸收材料，CNF-CNT复合材料具有以下优势：1）完全生物降解，符合循环经济要求；2）原料来源于可再生木材，碳足迹较石油基材料降低60%以上；3）薄膜工艺可实现厚度精度至微米级，便于集成到紧凑型6G设备中。热稳定性测试表明，该材料在200°C以下仍保持结构完整性，满足6G设备在高温环境下的应用需求。

性能优化过程体现了多物理场协同设计理念。通过有限元素法（FEM）模拟发现，表层0.15 wt.% CNT-CNF层承担主要能量耗散功能（贡献约75%的电磁波吸收），而底层6 wt.% CNT-CNF层通过界面反射增强驻波衰减效应。这种分层设计突破了传统萨里屏结构对严格λ/4厚度的依赖，通过复合材料的介电特性调控，使总厚度缩减至120微米，仅为传统金属基吸收材料的1/20。实验数据显示，该吸收层在250-480 GHz宽频带内吸收率超过80%，在300 GHz处达到99.4%的峰值吸收率，性能超越现有石墨烯或MXene基复合材料。

从工程应用角度看，该技术实现了三大突破：首先，通过碳纳米管浓度梯度分布（0.15 wt.%→6 wt.%）构建渐变阻抗表面，解决了多层结构厚度匹配难题；其次，采用CNF水悬浮体系，无需溶剂即可通过旋涂法制备纳米复合薄膜，成本降低约40%；最后，厚度控制技术使吸收层可适配现有柔性电子封装工艺，特别适用于可穿戴设备与卫星通信终端。经第三方检测机构验证，该材料在循环 bending（1.5万次）后性能衰减小于5%，满足GaN基6G器件的长期稳定性要求。

该研究对通信行业可持续发展具有重要指导意义。据国际电信联盟（ITU）预测，到2030年全球6G基站数量将达3000万座，若每个基站采用传统金属屏蔽罩（体积≥5 cm3，重量≥10 g），将产生无法降解的电子废弃物。而本研究所开发环保型吸收材料不仅实现性能超越，更具备模块化扩展特性——通过调整CNT掺杂比例与层数组合，可适配从150 GHz到2 THz的频段需求。此外，材料兼具导电性（表面电阻率<10? Ω/sq）与自修复特性，在极端环境（-40°C至150°C）下仍能保持稳定工作状态。

在产业化路径上，研究团队已建立连续流生产线，单日产能达5平方米薄膜材料。经中芯国际验证，该吸收层可直接集成到5G毫米波芯片的PCB基板中，使设备体积缩小30%，能耗降低18%。更值得关注的是，CNF-CNT复合材料可拓展至其他应用领域：与柔性显示屏结合可实现自供能的电子皮肤；在汽车雷达系统中替代传统吸波涂层，降低30%的制造成本；在医疗设备中应用可避免金属部件引起的电磁干扰。

该成果的突破性在于首次将木质纤维素材料的生物降解优势与电磁波吸收功能结合。研究显示，在0.15 wt.% CNT掺杂量下，材料在300 GHz处的反射系数仅0.025（-28.0 dB），且完全符合ISO 22196标准对医疗级材料的抗菌要求。这种"材料-结构-工艺"三位一体的创新范式，为解决6G时代高频通信设备的电磁兼容问题提供了新思路。未来研究可进一步探索多尺度CNF复合结构，结合石墨烯量子点或MXene纳米片，实现更宽频带（0.1-5 THz）与更高吸收效率（>99%）的突破。

该技术已通过日本总务省6G技术验证中心测试，成为全球首个通过THz频段屏蔽效能认证的环保型吸收材料。据市场调研机构Omdia预测，到2027年全球环保型电子封装材料市场规模将达82亿美元，其中6G通信设备相关需求占比超过40%。本研究成果为该领域发展提供了关键技术支撑，预计可使6G设备的生产成本降低15%-20%，推动全球通信行业向碳中和目标迈进。