采用激光化学气相沉积（Laser CVD）技术制备SiC@C核壳异质结构，用于制造高吸收率/低反射率的柔性电磁干扰（EMI）屏蔽纺织品

《Surfaces and Interfaces》：Laser CVD growth of SiC@C core-shell heterostructures for high-absorption/low-reflection flexible EMI shielding textiles

本文提出基于激光化学气相沉积（LCVD）的界面工程策略，通过调控沉积压力和氢蚀刻机制精确控制SiC@C核壳纳米须的碳壳厚度，实现了0.34 mm超薄涂层的高效电磁屏蔽（51.5 dB），同时降低反射并提高吸收，为柔性电子织物开发提供新路径。

　　在现代科技快速发展的背景下，电磁干扰（EMI）屏蔽材料的研究日益受到重视，特别是在物联网（IoT）、第五代移动通信（5G）以及智能交互设备广泛应用的环境中。这些设备的电子组件趋向于高频运行和小型化，从而导致空间电磁能量密度呈指数级增长。这种趋势对EMI屏蔽提出了更高的要求，不仅需要材料具备良好的屏蔽性能，还必须在不影响其柔韧性和可穿戴性的情况下，有效减少电磁波的反射，提升吸收能力。因此，开发具有低反射和高吸收性能的柔性EMI屏蔽纺织品成为当前研究中的关键课题。

传统的EMI屏蔽材料通常依赖于高导电材料，如导电聚合物复合材料（CPCs）、金属纳米颗粒、碳基材料和MXene等，通过构建导电网络结构来实现屏蔽效果。然而，这些材料在实际应用中存在一定的局限性。一方面，它们往往导致电磁波的强烈反射，进而引发二次电磁污染；另一方面，材料的导电性虽然较高，但其结构设计在微观和纳米尺度上难以实现精确的控制，这限制了界面极化效应的发挥，影响了整体的屏蔽性能。为了克服这些问题，研究者们不断探索新的材料体系和制备工艺，以优化阻抗匹配，增强介电损耗，从而提升EMI屏蔽效率。

近年来，SiC（碳化硅）基材料因其优异的物理化学稳定性和良好的阻抗特性，逐渐成为研究热点。SiC不仅具有出色的热稳定性和化学惰性，还能够在较宽的频率范围内有效吸收电磁波。然而，SiC本身的导电性相对较弱，限制了其在EMI屏蔽中的应用。为了解决这一问题，研究者们提出了一种SiC@C（碳包覆的碳化硅）核壳结构的设计思路，通过在SiC表面引入导电的碳壳层，不仅提升了材料的导电性，还增强了界面极化和偶极极化效应，从而显著改善了电磁吸收性能。此外，一维的SiC纳米材料还表现出高硬度、高强度和良好的柔韧性，使其在保持材料性能的同时，具备良好的可加工性。

在制备工艺方面，激光化学气相沉积（LCVD）技术因其能够精确调控SiC纳米结构而受到关注。LCVD利用激光作为热源和光源，能够提供足够的反应动能，实现高沉积速率，从而促进高长径比SiC晶须的各向异性生长。该技术在制备SiC纳米材料方面具有独特优势，尤其是在无需金属催化剂的情况下，能够实现SiC晶须的原位生长。然而，对于SiC@C核壳结构中碳壳层的精确控制，仍然存在一定的挑战。碳壳层的厚度和分布对界面极化和偶极极化效应具有重要影响，因此，如何实现对碳壳层的精准调控，是提升EMI屏蔽性能的关键。

本研究提出了一种创新的策略，通过LCVD技术实现SiC@C核壳结构的原位生长，旨在精确构建纳米异质结构，优化介电损耗，从而提升EMI屏蔽效果。通过调节沉积压力，研究人员成功制备了具有梯度碳涂层厚度的SiC@C纳米晶须，并揭示了碳壳层厚度调控的机制。同时，研究还探讨了微观结构演变对EMI屏蔽性能的影响，为设计和应用具有低反射和高吸收性能的柔性可穿戴EMI屏蔽纺织品提供了新的理论基础和技术路径。

实验过程中，采用了一种自制的LCVD系统，详细的方法已在之前的研究中讨论过。实验所用的碳布（CC）基材经过乙醇超声清洗和干燥处理后，再进行沉积。六甲基二硅烷（HMDS）作为前驱体气体，通过25 sccm的氩气（Ar）载气输送，氢气（H?）则作为稀释气体。生长温度对SiC@C纳米晶须的结构和EMI性能具有重要影响，通过调节温度，可以控制晶须的取向和形态。此外，氢气蚀刻和前驱体分解机制也被用于精确调控碳壳层的厚度，从而实现纳米异质结构的精准组装。

在实验结果方面，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，研究人员揭示了在不同沉积压力下（500-2000 Pa）合成的SiC@C纳米晶须的结构特征。XRD图谱显示，主要的（111）衍射峰强度表明晶须具有择优取向，而所有样品在2θ≈33.8°处的一致肩峰则表明存在平面缺陷，这些缺陷有助于3C-SiC的各向异性生长。拉曼光谱分析进一步揭示了3C-SiC声子的特征模式，包括横向光学（790 cm?1）和纵向光学（970 cm?1）声子峰，这些模式为材料的结构和性能提供了重要的表征依据。

在电磁屏蔽性能测试中，SiC@C/CC材料表现出优异的EMI屏蔽效果，其屏蔽效能达到51.5 dB，且在极薄的厚度（0.34 mm）下即可实现。这一性能主要归功于纳米多孔涂层所带来的增强的多重反射效应，以及SiC@C异质结构所增强的偶极极化和界面极化效应。此外，SiC@C/CC材料还展现出良好的柔韧性和长期稳定性，使其能够适应复杂的使用环境，满足可穿戴设备的需求。

从材料设计的角度来看，SiC@C核壳结构的构建不仅提升了材料的导电性，还优化了其介电性能，使其在低反射和高吸收之间取得平衡。同时，纳米晶须的高长径比和各向异性生长特性，使得材料在保持高机械强度的同时，仍具备良好的柔韧性。这些特性表明，SiC纳米晶须改性的碳布（CC）能够保留碳化硅晶须和碳布基材的固有柔韧性，为柔性EMI屏蔽纺织品的设计提供了新的思路。

从制备工艺的角度来看，LCVD技术的引入为SiC纳米结构的调控提供了有效的手段。激光不仅作为热源促进SiC晶须的生长，还作为光源激发前驱体气体，从而实现对碳壳层厚度的精准控制。通过调节沉积压力、前驱体气体的分解速率以及氢气蚀刻的强度，研究人员能够实现对SiC@C核壳结构的精确组装，从而优化其电磁吸收性能。这种策略不仅避免了传统物理涂层工艺在微观和纳米尺度上难以实现精确控制的缺陷，还为高效率、低反射的EMI屏蔽材料提供了新的技术路径。

此外，本研究还对SiC@C/CC材料的微观结构演变进行了深入分析，揭示了其在不同沉积条件下的结构变化对EMI屏蔽性能的影响。通过系统的实验和分析，研究人员不仅验证了该材料在高频电磁环境下的优异性能，还为其在实际应用中的推广提供了理论支持。这些研究结果表明，SiC@C/CC材料具有广阔的应用前景，特别是在柔性电子、智能服装和军事隐身装备等领域。

综上所述，本研究通过创新的LCVD策略，成功实现了SiC@C核壳结构的原位生长，为开发具有低反射和高吸收性能的柔性EMI屏蔽纺织品提供了新的解决方案。通过调节沉积压力和前驱体气体的分解机制，研究人员能够精确控制碳壳层的厚度，从而优化材料的电磁吸收性能。这种策略不仅提升了材料的屏蔽效能，还增强了其柔韧性和稳定性，为未来的EMI屏蔽材料研究和应用提供了重要的参考价值。