由于先進電子產品的爆炸式增長導致了嚴重的電磁干擾 (EMI) 屏蔽問題，對先進的電磁干擾 (EMI) 屏蔽材料的需求量很大。除了優異的 EMI 屏蔽性能外，屏蔽材料的機械強度對于某些特定應用場景 (例如屏蔽罩和屏蔽框架) 也至關重要。雖然大多數報道的 EMI 屏蔽材料具有良好的屏蔽性能和輕量化特性，但它們通常表現出較差的機械強度。同時，多功能性對于 EMI 屏蔽材料的應用也至關重要。本研究開發了一種基于熔融態的原位還原策略來制備高效的 EMI 屏蔽復合材料，使 Co 納米粒子在碳基基質上均勻分散，同時具有高密度的缺陷。這確保了復合材料由于存在巨大的界面而具有高機械強度，并顯著提高了 EMI 屏蔽性能。該復合材料的最佳屏蔽效能為 32.6 dB，抗壓強度為 38.31 MPa，與原始碳泡沫相比分別提高了 65.4% 和 123.4%。同時，該復合材料還表現出理想的電化學和光熱轉換性能。這項研究為設計出在電磁干擾屏蔽、機械強度和多功能性方面表現優異的復合材料提供了見解。
圖 1. (a) 鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料的合成策略示意圖。(b) 復合材料的數碼照片 (c) 樣品鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料 (CF-3) 的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(d) 原始碳泡沫和鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料的 XRD 圖案和 (e) 拉曼光譜。(f) 通過電感耦合等離子體發射光譜儀 (ICP-OES) 測量復合材料中的鈷元素含量。鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料的 (g) C 1s、(h) O 1s 和 (i) Co 2p 的 X 射線光電子能譜 (XPS)。
圖 2. Co 納米粒子增強碳泡沫復合材料 (CF-7) 的結構表征。(a) 復合材料的典型低倍 TEM 圖像。(b) a 中標記區域的局部放大 TEM 圖像。(c) 通過測量 80 多個納米粒子統計計算出 Co 納米粒子的尺寸分布。(d) 圖 S8b 的對應 SAED 圖案。(e) 具有核殼結構的單個 Co 納米粒子的 TEM 圖像。(f) b 中標記區域的對應高分辨率 TEM 圖像。(g–j) 沿 Co [101] 和 CoO [011] 觀察的低倍和原子分辨率 HAADF 圖像。(k) 選定區域的 EELS 映射，其中呈現 C k 邊、O k 邊和 Co L 邊，線輪廓和詳細的 Co L 邊分別顯示在 (l) 和 (m) 中。
圖3. （a）原始碳泡沫和鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料的壓縮應變-應力曲線和（b）壓縮強度。鈷納米粒子增強碳泡沫復合材料的有限元模型：（c）建模和網格；（d）負載和邊界條件。壓縮應變分別為（e）0%、（f）2.5%、（g）5%、（h）7.5% 和（i）10% 時 CF-7 樣品上的等效應力分布。壓縮應變為 10% 時 (j) CF-3、(k) CF-5 和 (l) CF-9 上的等效應力分布。
圖 4. 共納米粒子增強碳泡沫復合材料的(a)SET，(b)SER，(c)SEA在X波段。(d)共納米粒子增強碳泡沫復合材料的平均屏蔽效能比較。(e)共納米粒子增強碳泡沫復合材料在X波段的吸收系數和(f)反射系數。(g)共納米粒子增強碳泡沫復合材料的A/(R+A)值。(h)室溫下共納米粒子增強碳泡沫復合材料的電導率和(i)磁滯回線。
圖 5. （a）濉洹ⅲ╞）濉濉ⅲ╟）臁洹ⅲ╠）臁濉ⅲ╡）C0曲線，以及（f）Co納米粒子增強碳泡沫復合材料在X波段的趨膚深度。（g）復合材料屏蔽機制示意圖。
圖 6. 分別在相同掃描速率和電流密度下比較 Co 納米粒子增強碳泡沫復合材料的 (a) CV 曲線和 (b) GCD 曲線。(c) 不同掃描速率下樣品 CF-7 的 CV 曲線比較。在不同循環下比較樣品 CF-7 的 (d) CV 曲線和 (e) GCD 曲線。(f) Co 納米粒子增強碳泡沫復合材料的 EIS 測量值比較。Co 納米粒子增強碳泡沫復合材料在不同電壓下的光熱性能：(g) 2 V、(h) 3 V 和 (i) 4V。
相關科研成果由佛羅里達大學Yang Yang, 西安理工大學Caiyin You等人于2025年發表在ACS Nano上。原文：Designing Carbon-Foam Composites via Molten-State Reduction for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13329
轉自《石墨烯研究》公眾號
