西北工业大学齐乐华教授《自然·通讯》：三维石墨烯骨架助力镁合金实现高强度与高效电磁屏蔽

随着新一代电子通信系统、雷达预警、卫星探测及深空探索技术的飞速发展，航空航天、信息技术及日常生活领域对电子设备外壳提出了更高的要求。开发兼具优异电磁干扰屏蔽性能、机械稳定性及轻量化特性的材料，既是目标也是重大挑战。传统三维石墨烯结构虽具有良好屏蔽潜力，但其作为刚性结构材料承受负载的能力仍然有限，这限制了其在需要同时满足高强度与高屏蔽性能场合的应用。

近日，西北工业大学齐乐华教授课题组提出并验证了一种“三维骨架预构建-渗透填充”新策略，成功制备出具有三维连续网络的原始石墨烯@热解碳骨架增强AZ91D镁基复合材料。该材料展现出卓越的综合性能：在3毫米厚度下实现高达76.70分贝的电磁干扰屏蔽效能，同时具备276兆帕的极限抗压强度和231兆帕的极限抗拉强度，为复杂环境下的结构-功能一体化轻质材料提供了极具前景的解决方案。相关论文以“Increased electromagnetic interference shielding and load bearing with a three-dimensional pristine graphene@pyrocarbon skeleton in AZ91D”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先成功制备了具有不同热解碳沉积时间的三维PG@PyC预制体（图1）。扫描电镜图像显示，原始石墨烯片相互连接形成三维网络，即使沉积热解碳后，其蜂窝状结构得以保持，孔径均匀。透射电镜和原子力显微镜分析表明，热解碳以颗粒状均匀包覆在石墨烯片表面，随着沉积时间增加，碳层逐渐增厚，且热解碳的石墨化程度低于原始石墨烯，层间距约为0.34纳米。

图1 | 预制体的SEM、TEM和AFM图像。 a1-a4 PG预制体的SEM图像。b1-b4 PG@PyC-60预制体的SEM图像。c1-c4 PG@PyC-90预制体的SEM图像。d1-d4 PG@PyC-120预制体的SEM图像。e1, e2 PG片的TEM图像。f1, f2 PG@PyC-60片的TEM图像。g1, g2 PG@PyC-90片的TEM图像。h1, h2 PG@PyC-120片的TEM图像。i1, i2 PG片的AFM图像。j1, j2 PG@PyC-60片的AFM图像。AFM图像高度（纳米）由颜色条显示。原始石墨烯和热解碳分别定义为PG和PyC。逆快速傅里叶变换缩写为IFFT。

为了深入理解热解碳的沉积过程，研究人员通过反应焓和吉布斯自由能变化分析了从甲烷到苯的前驱体热解路径（图2）。沉积初期，小颗粒热解碳在石墨烯片上生长并形成交联结构，随沉积时间延长，颗粒逐渐合并直至完全覆盖石墨烯基底。通过X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱表征（图3），证实热解碳的引入增加了材料的缺陷和结构无序度，这有利于增强偶极子极化损耗。同时，沉积热解碳显著提高了预制体的表面粗糙度和与熔融AZ91D的接触角，并通过增厚孔壁使其压缩强度大幅提升，为后续熔体渗透提供了必要的机械稳定性。预制体的电磁屏蔽效能也随热解碳含量增加而显著提高，主要屏蔽机制为反射。

图2 | 前驱体热解和PyC沉积的全过程。 a-c 由HSC软件计算的从CH4到C6H6各基元反应的反应焓（ΔH）。d-f 相应的吉布斯自由能变化（ΔG）。g PG@PyC-20预制体的SEM图像。h-j PG@PyC-40预制体的SEM和TEM图像。k PyC沉积过程示意图。

图3 | PG、PG@PyC及纯PyC预制体的表征。 a XRD图谱。b, c 拉曼光谱。d 全扫描XPS谱。e C 1s的高分辨XPS谱。f 预制体表面粗糙度及熔融AZ91D液滴与预制体的接触角。表面高度（微米）由颜色条显示。g, h 压缩应力-应变曲线。i 红外图像及热导率。温度（℃）由颜色条显示。数据表示为三次独立实验的平均值±标准差（SD）。

图4 | 电磁干扰屏蔽性能。 a, b X波段EMI SE值。c 平均反射系数（R）、透射系数（T）和吸收系数（A）值。d PG@PyC预制体的EMI屏蔽机制示意图。

通过液固渗透挤压法，将熔融AZ91D渗入不同的预制体中，得到相应的复合材料（图5）。显微结构分析表明，当使用压缩强度足够的PG@PyC-90预制体时，熔体能够均匀渗透并保持三维连续网络结构的完整性，而强度较低的预制体则会导致石墨烯片团聚和网络破坏。复合材料中，在石墨烯附近观察到富含Al和Mn的白色析出相，经鉴定为Al8Mn5。X射线衍射证实复合材料中主要存在α-Mg和Mg17Al12相，未检测到铝碳化物。

图5 | 复合材料的表征。 a1-a4 PG/AZ91D复合材料的SEM图像。b1-b4 PG@PyC-60/AZ91D复合材料的SEM图像。c1-c4 PG@PyC-90/AZ91D复合材料的SEM图像。d1-d4 PG@PyC-120/AZ91D复合材料的SEM图像。选取垂直于（x-y平面）和平行于（x-z平面）挤压方向的复合材料进行SEM表征。e PG@PyC-90/AZ91D复合材料中三维PG@PyC的3D重建结果。f （a2）、（b2）和（d2）中Spot A-C的EDS谱。g AZ91D及复合材料的XRD衍射图。h 复合材料的拉曼光谱。

对复合材料界面结构的透射电镜分析揭示了关键信息（图6）。在未引入热解碳的复合材料中，PG与Mg基体为机械结合，界面存在无序区和相互扩散。引入热解碳后，界面处形成了PyC-MgO过渡层，其厚度随沉积时间延长而增加。高分辨图像显示，界面处分散的纳米颗粒被确认为MgO，其来源于熔融Mg与热解碳表面含氧基团的反应。该PyC-MgO过渡层将PG与Mg牢固结合，其异质界面处的晶格畸变有助于增强界面极化。

图6 | 复合材料的界面结构。 a1-a5 PG/AZ91D，b1-b5 PG@PyC-60/AZ91D，c1-c5 PG@PyC-90/AZ91D，d1-d5 PG@PyC-120/AZ91D复合材料的TEM、HRTEM、SAED等图像。展示了各区域的高分辨结构、衍射模式及原子级HAADF-STEM图像。

电磁屏蔽性能测试显示（图7），PG@PyC-90/AZ91D复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）表现出最优异的屏蔽效能，平均总屏蔽效能高达76.70分贝（3毫米厚）。其屏蔽增强效率远高于已报道的多数石墨烯基或镁基复合材料。机制分析表明，屏蔽效能提升源于表面反射、三维连通网络提供的导电损耗、PG/PyC-MgO/Mg异质界面引发的界面极化以及热解碳缺陷带来的偶极子极化等多重作用的协同。

图7 | AZ91D及复合材料的电磁干扰屏蔽性能。 a, b EMI SE值。c 本研究与现有研究的EMI屏蔽性能（ΔSE值）对比。d PG@PyC-90/AZ91D复合材料作为EMI屏蔽材料的验证测试。e PG@PyC-90/AZ91D复合材料的EMI屏蔽机制示意图。

力学性能测试结果同样令人瞩目（图8）。纳米压痕、压缩和拉伸实验表明，PG@PyC-90/AZ91D复合材料表现出最优的综合力学性能，其硬度、弹性模量、极限抗压强度和极限抗拉强度均较基体合金或简单PG增强复合材料有显著提升。强化机制归因于PG@PyC三维网络结构的有效载荷传递、PG对α-Mg晶粒生长的抑制以及界面处的位错强化。

图8 | AZ91D及复合材料的力学性能。 a, b 纳米压痕曲线。c, d 硬度和弹性模量柱状图。e 压缩应力-应变曲线。f 极限抗压强度和失效应变柱状图。g 拉伸应力-应变曲线。h 极限抗拉强度和伸长率柱状图。i PG@PyC/AZ91D复合材料纳米力学响应示意图。

这项工作成功开发了一种创新的三维骨架预构建-渗透填充方法，在AZ91D镁基体中构建了连续的三维PG@PyC网络，创造性地将卓越的电磁干扰屏蔽能力与优异的机械承载性能集于一身。所开发的复合材料在76.70分贝的高屏蔽效能下，同时实现了276兆帕的抗压强度和231兆帕的抗拉强度，展现出作为轻质结构-功能一体化材料的巨大潜力。此项研究为下一代电子通信系统、航空航天等领域所需的高性能材料提供了新的设计思路和实现途径，标志着轻量化多功能金属基复合材料发展的重要进展。