《CARBON》：A novel design for CoAl-LDH double hydroxides layers vertically decorating three-dimensional carbon foam for strengthening electromagnetic wave attenuation and flame retardancy
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摘要高性能电磁波（EMW）吸波材料通常依赖碳基材料来增强介电损耗，但其在高温下易燃的特性严重限制了其在高温及热累积环境中的应用。目前，如何在碳基材料体系中同时实现优异的电磁波吸波性能和阻燃性仍然是一个重大挑战。在此，我们提出了一种特殊的复合设计策略，通过简单的单步水热法将具有
摘要
高性能电磁波（EMW）吸波材料通常依赖碳基材料来增强介电损耗，但其在高温下易燃的特性严重限制了其在高温及热累积环境中的应用。目前，如何在碳基材料体系中同时实现优异的电磁波吸波性能和阻燃性仍然是一个重大挑战。在此，我们提出了一种特殊的复合设计策略，通过简单的单步水热法将具有阻燃功能的绝缘层状双氢氧化物（CoAl-LDH）纳米片原位装饰在碳泡沫骨架上。在1.8mm吸波器厚度和20%填充率下，实现了最优的最小反射损耗–51.8 dB和 exceptionally 宽的有效吸波带宽（EAB）5.2 GHz。以当前复合材料作为金字塔结构，不仅实现了2–40 GHz的全频段吸波，而且在220°C下仍保持了阻燃效果。绝缘CoAl-LDH纳米片垂直装饰在碳骨架上，证明了其对碳骨架中长程电子运动的限制作用，从而增强了主导性的介电损耗，支持了优异的电磁波吸波性能。同时，层状双氢氧化物中的层间水分子和碳酸根离子，CoAl-LDH层中氢氧化物释放H2O和CO2，以及物理屏障隔离热量和氧气，共同促进了阻燃性能。本工作不仅为设计约220°C下兼具阻燃功能的高性能电磁波吸波材料提供了新策略，还开辟了利用局域载流子相互作用来调控介电和燃烧反应的新视角。
引言
随着航空航天、电子通信和新能源汽车的快速发展，对极端条件下电磁波吸收（EMWA）材料的综合性能提出了越来越苛刻的要求[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些EMWA材料不仅要求高效吸收电磁波，还要求能够承受由发动机热辐射、高功率器件热累积或电池热失控引起的瞬时高温或火焰冲击[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，传统的高性能EMWA系统通常使用碳基材料来增强介电损耗能力[12]、[13]、[14]。由于易燃特性[15]、[16]，碳基材料在高温或火焰暴露下容易发生燃烧。这不仅导致EMWA功能失效，还容易引起火灾隐患。因此，设计兼具EMWA和阻燃功能一体化材料具有重要的实际意义。
目前，通常有两种结构性和组成性的方法来改善碳基EMWA材料的阻燃性。通过丰富的结构设计，碳基材料被制备成各种多孔气凝胶，以增强电磁波耗散和延迟热传递，利用多重损耗机制和物理隔热特性[17]、[18]、[19]。气凝胶复杂且高成本的制备工艺限制了其扩展应用[20]、[21]、[22]。在组成设计策略方面，将阻燃元素磷（P）引入碳材料中以调控碳材料的热分解行为，并促进在高温下形成致密的磷酸盐保护层，从而提高阻燃性[23]、[24]。目前，将AlN或h-BN引入碳材料也是提高阻燃性的有效策略[25]、[26]。此外，碳材料还可以与阻燃MXenes[27]、[28]、磁性金属氧化物[29]、[30]和CuS[31]结合，通过物理屏障效应、催化碳化效应和多重损耗机制来诱导电磁波吸波和阻燃的协同增强。然而，P掺杂的制备困难、AlN在潮湿环境中容易水解[32]、h-BN成本高、MXenes容易氧化[33]、[34]、磁性氧化物居里温度低[35]、[36]、[37]以及CuS在高温热分解下快速释放有毒SO2等问题，使组成策略面临很大局限性。因此，阻燃微波吸波材料的设计仍面临巨大挑战。
基于由三聚氰胺泡沫（MF）衍生而来的高导电碳泡沫（CF），提出了一种通过静电自组装将绝缘层状双氢氧化物（CoAl-LDH）纳米片引入碳骨架表面的复合设计方案。通过利用层状双氢氧化物纳米片的绝缘特性和阻燃特性，通过调节绝缘CoAl-LDH纳米片的负载量，实现了复合材料中宽带高效EMWA和阻燃性的协同提升。绝缘CoAl-LDH纳米片可以降低碳泡沫的电导率，减弱趋肤效应，调控阻抗匹配，并在界面处产生大量电荷积累，从而显著增强介电损耗。此外，CoAl-LDH中的氢氧化物、层间水和碳酸根离子在高温下发生吸热分解，可以稀释热量和氧气。生成的过渡金属氧化物也可以形成保护层以隔离氧气和热量的传递。电磁波吸收和阻燃的协同增强使该复合材料成为防止电磁干扰和抵御恶劣服役条件的有前途的候选材料。
在本工作中，通过高温碳化和水热法制备了CF/CoAl-LDH复合材料（图1a），利用不同含量的CoAl-LDH来调节电磁波吸波和阻燃性能。在1.8mm吸波器厚度和仅20%的填充率下，实现了最小反射损耗RLmin –51.8 dB和最大有效吸波带宽EAB 5.2 GHz。利用当前复合CF-LDH-2设计为金字塔结构时，进一步获得了2–40 GHz的全频段吸波，表明其应用潜力和优势。由于CoAl-LDH的绝缘特性，碳骨架内电子的运动受到限制，降低了电导率，削弱了趋肤效应，并调节了阻抗匹配。这导致极化位点增多和介电损耗增大，赋予复合材料优异的电磁波吸收性能。DFT计算表明，CF和CoAl-LDH之间的介电差异导致界面处显著的电荷积累。除优异的电磁波吸收性能外，该复合材料还表现出水滑石的优异阻燃性，在高温燃烧后仍保持不燃且结构完整。本工作不仅为设计高EMWA性能和阻燃材料体系提供了新见解，还构建了一种优化介电损耗和阻燃调控的新型机制。
章节摘要
材料
硝酸钴六水合物（Co(NO3)2·6H2O，AR）、硝酸铝九水合物（Al(NO3)3·9H2O，AR）、氟化铵（NH4F，AR）和尿素（CO(NH2)2，AR）购自阿拉丁化学公司。三聚氰胺泡沫（MF）购自成都玉龙超聚新材料有限公司。材料直接使用原始状态，未经过任何纯化。
样品制备
CF通过简易的一步碳化过程获得。首先，将MF用超声波清洗数次，用
相和微观结构表征
为了阐明微观结构特征与性能之间的关系，对CF/CoAl-LDH复合材料进行了微观形貌表征和结构分析。CF的形貌显示出致密的内部网络和光滑的骨架表面（图1b），为CoAl-LDH纳米片提供了丰富的成核/生长位点。发现原始的玫瑰花状CoAl-LDH是由CoAl-LDH纳米片自组装而成（图1c和图1f），其结构特征
结论
在本研究中，通过高温碳化后水热处理成功制备了CF/CoAl-LDH复合材料。CoAl-LDH纳米片的引入有效调控了碳骨架的介电常数，缓解了趋肤效应，并改善了阻抗匹配。此外，CF/CoAl-LDH界面处的电荷积累显著增强了界面极化，使电磁波吸收性能明显改善。优化后的
CRediT作者贡献声明
马松：写作——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取。王南：监督、项目管理、资金获取。梁晓辉：软件、资源。陈敏：写作——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取。马林：写作——初稿、软件、方法论。李博：方法论、调查。宋诗宇：方法论、调查。姬彦珍：方法论，
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52374328、52571237、52401255、12474111和52274325）、国家重点研发计划（2023YFF0718303）和辽宁省自然科学基金博士启动项目（2025-BS-0162）的支持。
孟泽|陈敏|王南|李博|马林|姬彦珍|宋诗宇|刘江浩|刘大恒|王晶|耿森森|任首宇|梁晓辉|马松
