石墨烯修饰磁性氧化物纳米颗粒增强碳复合泡沫的电磁屏蔽性能对比研究：Gr@NiO、Gr@Co3O4与Gr@Fe3O4填料的协同效应

为解决电子设备电磁干扰(EMI)污染问题，研究人员开展了石墨烯修饰磁性氧化物纳米颗粒(Gr@MO-NPs)增强碳复合泡沫的电磁屏蔽性能对比研究。通过系统比较Gr@NiO、Gr@Co3O4和Gr@Fe3O4三种填料，发现Gr@Fe3O4-CF在X波段(8.2-12.4 GHz)表现出最优异的屏蔽效能(86.6 dB)，其中吸收损耗占主导地位。该研究为开发轻质高效的电磁屏蔽材料提供了新思路，在隐身技术和国防领域具有重要应用价值。

　　

随着电子通信技术的飞速发展，电磁干扰(EMI)已成为现代社会的"隐形污染源"。这种电磁辐射不仅会干扰精密电子设备的正常运行，更对人类健康和环境构成潜在威胁。传统的电磁波吸收材料往往面临高频吸收性能差、重量大等局限性，难以满足当今电子设备对轻量化、高效屏蔽的迫切需求。

碳泡沫因其轻质、高孔隙率和比表面积大等特点，被认为是极具潜力的EMI屏蔽材料。然而，单纯碳材料的屏蔽性能有限，如何通过复合改性提升其综合性能成为研究热点。在这项发表于《Next Materials》的研究中，Anushi Sharma等学者创新性地将石墨烯修饰的磁性氧化物纳米颗粒(Gr@MO-NPs)引入碳泡沫基质，系统比较了三种不同磁性氧化物(NiO、Co₃O₄和Fe₃O₄)的增强效果。

研究人员采用聚氨酯(PU)模板法结合高温碳化(1000°C)工艺制备了系列复合泡沫。通过高分辨率透射电镜(HRTEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等技术系统表征了材料的结构与形貌，并利用矢量网络分析仪(VNA)测试了其在X波段的电磁屏蔽性能。

形态与结构分析显示，三种Gr@MO-NPs均成功嵌入碳泡沫基质中，形成了均匀的多孔结构。TEM图像证实了石墨烯与磁性氧化物纳米颗粒之间的紧密结合，SAED图谱进一步验证了各晶面的存在。XRD分析表明，所有复合泡沫都保留了石墨烯的(002)晶面特征峰，同时出现了各自磁性氧化物的特征衍射峰。拉曼光谱结果显示，Gr@Fe₃O₄-CF具有最低的I_D/I_G比值(0.52)，表明Fe₃O₄纳米颗粒在泡沫形成过程中发挥了最佳催化作用。

物理、机械、电学、磁学和热学性能研究表明，添加Gr@MO-NPs显著改善了碳泡沫的综合性能。密度从Gr@CF的0.28 g/cm³增加到Gr@Co₃O₄-CF的0.36 g/cm³，而孔隙率相应降低。压缩强度从基体的3.6 MPa提升至Gr@Co₃O₄-CF的6.8 MPa，这归因于Gr@MO-NPs对微裂纹的填充作用和界面结合的增强。虽然电导率因磁性氧化物的绝缘特性而有所下降，但所有样品仍保持足够的导电性(22.3-44 S/cm)。热重分析(TGA)显示复合泡沫的热稳定性提高，降解起始温度从350°C升至450°C。振动样品磁强计(VSM)测试表明，Gr@Fe₃O₄-CF具有最高的饱和磁化强度(1.13 emu/g)，这与其强铁磁性相符。

电磁干扰屏蔽性能是本研究的核心关注点。在X波段(8.2-12.4 GHz)的测试结果显示，Gr@MO-NPs的加入显著提升了屏蔽效能(SE_T)。Gr@CF的SE_T为35.5 dB，而Gr@NiO-CF、Gr@Co₃O₄-CF和Gr@Fe₃O₄-CF分别达到68.5 dB、76.3 dB和86.6 dB。特别值得注意的是，吸收损耗(SE_A)在总屏蔽效能中占主导地位，其中Gr@Fe₃O₄-CF的SE_A高达83.1 dB，反射损耗(SE_R)仅为3.5 dB。这种以吸收为主的屏蔽机制得益于材料的多孔结构和多界面设计，促进了电磁波的多重反射和衰减。

通过对电磁参数的分析发现，复合泡沫的介电常数(ε′和ε″)和磁导率(μ′和μ″)均随Gr@MO-NPs的加入而显著提高。Gr@Fe₃O₄-CF在8.2 GHz时表现出最高的介电常数(ε′=112.5, ε″=104.6)和磁导率(μ′=3.2, μ″=2.8)，这与其最优的屏蔽性能相一致。介电损耗角正切(tanδ_ε)和磁损耗角正切(tanδ_μ)的增大进一步证实了材料损耗机制的增强。

该研究通过系统比较三种石墨烯修饰磁性氧化物纳米颗粒增强碳泡沫的电磁屏蔽性能，揭示了材料组成与性能之间的构效关系。特别是Gr@Fe₃O₄-CF表现出的优异吸收主导型屏蔽特性，为开发轻质高效的电磁屏蔽材料提供了新思路。这种以吸收为主的屏蔽机制不仅有效减少了二次电磁污染，而且更符合现代电子设备对电磁兼容性的严格要求。研究成果在隐身技术、国防安全和电子设备防护等领域具有重要的应用价值，为新型多功能复合材料的设计开发提供了理论依据和实践指导。