震惊！武汉大学研发超轻碳气凝胶，电磁干扰屏蔽效果惊人

成果简介

气凝胶因其轻质、可压缩、高弹性和导电性而被认为是一种很有前途的电磁干扰（EMI）屏蔽材料。为了提高其电磁干扰屏蔽效果（EMI SE），开发具有可调微观结构的碳气凝胶仍是一个亟待解决的问题。本文，武汉大学周金平 教授《J ALLOY COMPD》期刊发表名为“Fabrication of anisotropic carbon aerogels from cellulose nanofiber/graphene oxide composites for electromagnetic interference shielding”的论文，研究以竹纤维素纳米纤维（CNF）/氧化石墨烯（GO）复合材料为原料，通过双向冷冻碳化法制备了具有层状互连结构的碳气凝胶。

所制备的气凝胶在平行层状方向上具有较高的机械强度，在垂直层状方向上具有优异的压缩柔韧性。在垂直片层方向压缩 300 次后，其高度可恢复到原来的 97%。各向异性碳气凝胶的绝对屏蔽效能可达 23628 dB-cm2-g-1，密度超低（3 mg-cm-3）。这项研究探讨了碳气凝胶结构与其电磁干扰屏蔽性能之间的相关性，为生产用于电磁干扰屏蔽的轻质各向异性碳气凝胶提供了一种环保方法。

图文导读

图1.制备C/rGO气凝胶的示意图。

图2.（a） 碳化前后的气凝胶照片。（b）在花朵上的 碳气凝胶照片。气凝胶的密度和孔隙率（c）在碳化前和（d）碳化后。

图3.C/rGO气凝胶在x方向的SEM图像

图4：(a) CNF、GO、C1G1 和 CC1G1 的 XRD 图样和(b) 傅立叶变换红外光谱。(c) C1G1 和 CC1G1 的拉曼光谱和 (d) XPS 光谱。(e) C1G1 和 (f) CC1G1 的 C1s 光谱，以及 (g) 不同键比例的相应拟合统计数据。(h) 不同质量比 CNF 和 GO 气凝胶的 TG 和 (i) DTG 曲线。

图5. (a) 碳气凝胶压缩恢复示意图。碳气凝胶在（b）y 方向和（c）x 方向应变为 80% 时的压缩应力-应变曲线，以及（d）相应的压缩强度和（e）残余应变。(f) CC1G1 在不同方向上的压缩应力-应变曲线，以及 R-CC1G1 在应变为 80% 时的压缩应力-应变曲线。(g) CC1G1 在 y 方向上不同应变下的应力-应变曲线。(h) Y 方向应变为 40% 时 CC1G1 的循环压缩曲线。

图6、 气凝胶的EMI屏蔽性能

小结

总之，以CNF和GO为基础，通过双向冷冻和热还原制备了具有各向异性层结构的超轻碳气凝胶。分散体在两个方向上都受到温度梯度的影响，导致冰晶定向生长，形成有序的多孔内部结构。碳气凝胶显示出低密度、各向异性的抗压强度和抗压韧性。此外，各向异性碳气凝胶还表现出各向异性电磁干扰SE。当电磁波沿垂直于层状排列的方向进入气凝胶时，EMI SE最大。通过调整气凝胶的密度和厚度可以达到所需的屏蔽效率。当密度从3.07mg-cm-3 增加到 5.43mg-cm-3 时，EMI SE 值从19.3dB 增加到39.9dB。此外，当厚度从 2.6 毫米增加到9.1毫米时，CC1G2的EMI SE值从25.6分贝增加到73.8分贝。在 3.09mg-cm-3 的低密度下，碳气凝胶的 SSE 值和 SSE/d 值分别达到了 9451 dB-cm3-g-1 和 23628 dB-cm2-g-1。对碳气凝胶结构与电磁干扰屏蔽性能关系的研究有望为设计高效电磁干扰屏蔽碳气凝胶提供指导。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173505