由于先進(jìn)電子產(chǎn)品的爆炸式增長(zhǎng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的電磁干擾 (EMI) 屏蔽問(wèn)題，對(duì)先進(jìn)的電磁干擾 (EMI) 屏蔽材料的需求量很大。除了優(yōu)異的 EMI 屏蔽性能外，屏蔽材料的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)于某些特定應(yīng)用場(chǎng)景 (例如屏蔽罩和屏蔽框架) 也至關(guān)重要。雖然大多數(shù)報(bào)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(xiàn)出較差的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，多功能性對(duì)于 EMI 屏蔽材料的應(yīng)用也至關(guān)重要。本研究開(kāi)發(fā)了一種基于熔融態(tài)的原位還原策略來(lái)制備高效的 EMI 屏蔽復(fù)合材料，使 Co 納米粒子在碳基基質(zhì)上均勻分散，同時(shí)具有高密度的缺陷。這確保了復(fù)合材料由于存在巨大的界面而具有高機(jī)械強(qiáng)度，并顯著提高了 EMI 屏蔽性能。該復(fù)合材料的最佳屏蔽效能為 32.6 dB，抗壓強(qiáng)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(shí)，該復(fù)合材料還表現(xiàn)出理想的電化學(xué)和光熱轉(zhuǎn)換性能。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)出在電磁干擾屏蔽、機(jī)械強(qiáng)度和多功能性方面表現(xiàn)優(yōu)異的復(fù)合材料提供了見(jiàn)解。
圖 1. (a) 鈷納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的合成策略示意圖。(b) 復(fù)合材料的數(shù)碼照片 (c) 樣品鈷納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)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(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的 XRD 圖案和 (e) 拉曼光譜。(f) 通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-OES) 測(cè)量復(fù)合材料中的鈷元素含量。鈷納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的 (g) C 1s、(h) O 1s 和 (i) Co 2p 的 X 射線(xiàn)光電子能譜 (XPS)。
圖 2. Co 納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料 (CF-7) 的結(jié)構(gòu)表征。(a) 復(fù)合材料的典型低倍 TEM 圖像。(b) a 中標(biāo)記區(qū)域的局部放大 TEM 圖像。(c) 通過(guò)測(cè)量 80 多個(gè)納米粒子統(tǒng)計(jì)計(jì)算出 Co 納米粒子的尺寸分布。(d) 圖 S8b 的對(duì)應(yīng) SAED 圖案。(e) 具有核殼結(jié)構(gòu)的單個(gè) Co 納米粒子的 TEM 圖像。(f) b 中標(biāo)記區(qū)域的對(duì)應(yīng)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(qū)域的 EELS 映射，其中呈現(xiàn) C k 邊、O k 邊和 Co L 邊，線(xiàn)輪廓和詳細(xì)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(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線(xiàn)和（b）壓縮強(qiáng)度。鈷納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的有限元模型：（c）建模和網(wǎng)格；（d）負(fù)載和邊界條件。壓縮應(yīng)變分別為（e）0%、（f）2.5%、（g）5%、（h）7.5% 和（i）10% 時(shí) CF-7 樣品上的等效應(yīng)力分布。壓縮應(yīng)變?yōu)?nbsp;10% 時(shí) (j) CF-3、(k) CF-5 和 (l) CF-9 上的等效應(yīng)力分布。
圖 4. 共納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的(a)SET，(b)SER，(c)SEA在X波段。(d)共納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的平均屏蔽效能比較。(e)共納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料在X波段的吸收系數(shù)和(f)反射系數(shù)。(g)共納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的A/(R+A)值。(h)室溫下共納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的電導(dǎo)率和(i)磁滯回線(xiàn)。
圖 5. （a）濉洹ⅲ╞）濉濉ⅲ╟）臁洹ⅲ╠）臁濉ⅲ╡）C0曲線(xiàn)，以及（f）Co納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料在X波段的趨膚深度。（g）復(fù)合材料屏蔽機(jī)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(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的 (a) CV 曲線(xiàn)和 (b) GCD 曲線(xiàn)。(c) 不同掃描速率下樣品 CF-7 的 CV 曲線(xiàn)比較。在不同循環(huán)下比較樣品 CF-7 的 (d) CV 曲線(xiàn)和 (e) GCD 曲線(xiàn)。(f) Co 納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)合材料的 EIS 測(cè)量值比較。Co 納米粒子增強(qiáng)碳泡沫復(fù)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(guān)科研成果由佛羅里達(dá)大學(xué)Yang Yang, 西安理工大學(xué)Caiyin You等人于2025年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
