山东大学：​多层CFP/石墨烯/Co/C复合材料，用于国防和航空航天

成果简介

纸基复合材料在电磁干扰（EMI）屏蔽方面表现出明显的轻薄化趋势。碳纤维纸（CFP）具有出色的导电性和轻质基底特性。然而，其单一的电损耗特性和不可控的 EMI 屏蔽性能限制了其应用。本文，山东大学 高学平等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Multi-layer carbon fiber paper @reduced graphene oxide/Co/C composite with adjustable electromagnetic interference shielding properties”的论文，研究采用化学键合和原位聚合的方法制备了 CFP@ 氧化石墨烯（GO）/ZIF-67 复合材料，并通过热处理制备了结构和功能一体化的 CFP@rGO/Co/C 复合材料。

采用逐层组装技术，开发出了具有可调电磁干扰屏蔽性能的复合材料。该复合材料具有优异的高电导率（2475.86 S/m）和出色的电磁干扰屏蔽性能（平均 X 波段电磁干扰效率（SE）38.46 dB，绝对屏蔽效能（SSE/t）= 14388.56 dB cm2 g-1）。通过逐层组装技术，7 层组装材料的 EMI SE 性能达到 85.83 dB，EMI SSE/t 达到 32110.51 dB cm2 g-1。

通过仿真验证，比较了材料的 EMI 屏蔽性能，为 EMI 材料设计提供了思路。此外，该材料还具有优异的焦耳加热性能、快速的电热响应和良好的温度可控性。该材料在恶劣的环境条件下，包括强酸、强碱、有机试剂、超声波、燃烧过程和极低的温度下，都表现出卓越的适应能力。尽管受到这些苛刻条件的影响，它的性能仍然保持在 90% 以上。本研究提出了一种磁介质协同、性能可调的 CFP 屏蔽材料，在未来的可穿戴设备、国防和航空航天领域具有巨大的应用潜力。

图文导读

图1. 多层结构CFP@rGO/Co/C 生产工艺图。

图2. 初始 CFP（a）和经过氧化氢改性的碳纤维表面（b）的扫描电镜图像。右侧图像为放大图像。(c-e) CFP @ GO 的扫描电镜图像，GO 接枝了不同浓度的 APTE (f) GO 经不同浓度的 APTES 改性后的傅立叶变换红外光谱 (g) CFP 和改性 CFP 以及接枝了 GO 的 CFP 的傅立叶变换红外光谱。

图3：（A-c）聚合 ZIF-67 颗粒的表面形貌，以及能量色散光谱仪（EDS）对 C、O 和 Co 元素的测绘。d-f）聚合前后的高分辨率 X 射线光电子能谱、C1s 的峰分离光谱和 Co2p 的密封光谱。

图4：（a）是热处理后的 XRD 图样，将 40-60° 2θ 的峰位置放大后得到（b）图样。如图（c）拉曼光谱热处理前后所示，对 CGZ-1000 进行峰值分离，得到图（d）。

图5. (a) 热处理后材料的电导率。(b) 材料的平均 EMI SE 性能 (c) 材料的特殊 EMI 性能，即 EMI SSE/t 和体积密度 (d ∼ f) 材料的反射效率 SER、吸收效率 (SEA) 和总屏蔽效能 (SET) (g) 屏蔽机理图。

图6. (A) 叠层组装后的电导率变化图 (B) 叠层组装后的平均屏蔽效能直方图 (C) 厚度与平均电磁干扰屏蔽效能和电导率之间的关系 (d-f) 叠层材料的反射效能 SER、吸收效能 SEA 和整体屏蔽效能 SET (g) 材料的电磁屏蔽效能与同类型薄膜材料的电磁屏蔽效能比较 (h) 多层组装的屏蔽机理示意图。

图8. (A) 在相同电压下不同层材料表面温度随时间变化的曲线 (B) 在不同电源电压下一层材料表面温度随时间变化的曲线 (C) 材料温度随电压升高或降低的阶跃变化 (D) 长期稳定的焦耳加热性能 (E) 在 6V电压下去离子水作为热管理器应用的红外图像。

小结

综上所述，本研究通过原位聚合和热处理工艺成功制备了 CFP@rGO/Co/C 复合材料。结果表明，退火温度对材料的 EMI 特性有一定影响。ZIF-67衍生的Co/C纳米粒子均匀地分散在GO片接枝的碳纤维（CF）上，传统碳在热处理过程中诱导了CF的石墨化程度。这就形成了一种独特的三维分层结构，可协同结合介电损耗和磁损耗。经过 1000 °C 热处理的 CFP@rGO/Co/C 样品具有出色的高导电性（2475.86 S/m），并在 X 波段实现了出色的电磁屏蔽性能（平均 X 波段 38.46 dB，EMI SSE/t 为14388.56 dB cm2g-1）。在逐层组装过程中，7 层达到 80 dB 以上，衰减了 99.999999 % 的电磁波。

仿真分析了材料在逐层组装过程中的可控电磁干扰性能，并分析了电磁波传输过程中的电场、磁场、电流和能量流密度矢量的分布。本文还展示了良好的焦耳加热性能，在 10 V 电压下可迅速达到 315 ℃，在 6 V 电压下具有长期加热稳定性。同时，在恶劣环境下进行稳定性测试后，该材料仍能保持 90% 以上稳定的电磁干扰性能。因此，CFP@rGO/Co/C复合材料可作为一种可靠的高性能 EMI 屏蔽材料，在复杂环境、军事武器、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118655