一、研究背景

高效的电磁干扰（EMI）屏蔽材料对于保护设备和个人免受电磁污染和伤害是必不可少的，特别是在我们现代的住宅和职业环境中充斥着各种电磁频率。到2035年，全球对电磁干扰屏蔽材料的需求预计将达到160亿美元，从2023年起，复合年增长率（CAGR）为6%。高性能电磁干扰屏蔽材料的经济高效开发，显示出超过60 dB的总屏蔽效能（SET），已经引起了相当大的科学和工业关注，特别是在军事防御应用和先进电子设备的保护方面。由于碳材料具有低密度、高导电性、高导热性和经济可行性等优点，碳基电磁干扰屏蔽材料的发展受到了广泛关注。

受闪现焦耳加热法在碳基上合成含磁性元素的高熵催化剂的启发，该方法已被证明适用于包括磁性金属在内的多种金属元素，可以有效地实现磁/碳耦合。可控闪速焦耳加热技术是一种很有前途的解决方案，它能够促进碳基衬底表面磁性颗粒的生长，并且在提高导电衬底上纳米结构的表面结合强度和热稳定性方面也具有很大的潜力。将该技术与快速连续加工方法相结合，有望解决碳基高性能EMI屏蔽材料在工业生产中面临的挑战。目前，日趋成熟的磁/碳复合材料闪速焦耳加热处理技术已在各种催化剂的合成甚至电磁波吸收剂的制备中得到了突出的应用。Wang等人利用静电纺丝和闪光焦耳加热成功地将五元FeCoNiCuMn高熵合金集成到蜂窝多孔碳纳米纤维中。他们的工作证明了闪光焦耳加热在开发轻质磁性/碳纤维基电磁吸收器方面的潜力。然而，为了满足市场对电磁干扰屏蔽材料的巨大需求，需要一种更高效的生产模式。因此，研究人员将重点放在了卷对卷（roll-to-roll, R2R）技术上，该技术以其高通量、高产量和高连续性而闻名，已成为连续生产技术的基石。特别是闪蒸焦耳加热与R2R相结合，可以充分发挥其在高效、精密材料制备方面的优势，促进电磁干扰屏蔽材料的大规模生产。

在此，我们采用闪蒸焦耳加热碳/磁耦合设计策略将磁性颗粒固定在碳纤维骨架上，用于电磁干扰功能应用。以Fe3O4/FePc@CFF为例，样品在X波段和ku波段的EMI SE分别高达65.5 dB和78.3 dB。SEA的增强是由Fe3O4颗粒原位生长的积极作用引起的。通过分析焦耳加热前后材料的介电常数、磁导率和衰减常数，证实损耗模式由单一的传导损耗转变为传导损耗、极化损耗和磁滞损耗的协同效应。为实现米级复合屏蔽材料的快速加工，进一步开发了一种结合R2R的连续加工工艺。该方法制备的材料结构和功能统一一致，综合指标优于相关文献报道。这种异常高效的制备方法为高性能电磁干扰屏蔽材料的大面积生产和广泛应用提供了新的范例。

二、摘要

通过电磁干扰屏蔽（EMI）材料有效防护电磁辐射损伤对于各种应用，特别是在现代航空航天、医疗和人体保护领域至关重要。尽管已经做出了巨大的努力来克服包括可扩展性，可持续性和成本方面的挑战，但大面积电磁屏蔽材料的集成和连续生产仍然无法满足工业规模的需求。在此，我们开发了一种涉及喷雾加载和焦耳加热的级联方法，用于制造具有卓越效率的混合EMI织物，其中铁磁性Fe3O4纳米颗粒以卷对卷（R2R）的方式进一步成功地在超轻碳纤维毡（Fe3O4/FePc@CFF）上原位沉积。Fe3O4/FePc@CFF表面密度仅为64.76 g/m2，在x波段和ku波段的单位厚度比屏蔽效能（SSE/t）分别为9604 dB cm2 g−1和10947 dB cm2 g−1。考虑到其与流水线生产的高度兼容性，该研究为电磁保护领域关键材料的进一步设计和改进提供了巨大的发展潜力。

三、结论

本文报道了一种制备轻质高效导电/磁性复合电磁干扰屏蔽材料Fe3O4/FePc@CFF的新方法。通过闪蒸焦耳加热设备处理负载fepc的CFF， Fe3O4在CFF表面的原位生长显著提高了电磁干扰效率。处理后的吸收效率从36.6 dB提高到51.2 dB，总屏蔽效率从47.1 dB提高到62.2 dB，分别提高了39.9%和32.1%。其屏蔽效率达到99.99991%的高水平。该材料具有64.76 g/m2的表面密度和9604 dB cm2 g−1的高SSE/t。基于小尺寸样品优异的电磁干扰效应，为了使其应用规模扩大，我们成功地采用R2R生产方法提高了材料制备效率。该方法制备的材料具有良好的均匀性，其EMI SE与小规模生产的材料相当。因此，该材料在电磁屏蔽效率和生产能力方面显示出广泛应用的潜力。

图1.编制CFF电热转换关系图及校正。(a)实验过程及制备过程中材料微观结构变化示意图。(b)经不同功率处理的CFF红外照片。(c)热处理时加热过程的温度-时间曲线。(d)热处理过程中冷却过程的温度-时间曲线。

图2.CFF和Fe3O4/FePc@CFF的表征。（a,b） Fe3O4/FePc@CFF的SEM图像。(c)区域部分放大的HRTEM图像Ⅱ。(d) CFF、FePc、FePc@CFF和Fe3O4/FePc@CFF的XRD谱图。(e) FePc@CFF和Fe3O4/FePc@CFF的拉曼光谱。(f) CFF和Fe3O4/FePc@CFF的磁滞回线，插入图是−1 kOe到1 kOe区间的放大。(g) FePc@CFF和Fe3O4/FePc@CFF的N1s XPS谱。(h) FePc@CFF和Fe3O4/FePc@CFF的O1s XPS谱。(i) FePc@CFF和Fe3O4/FePc@CFF的fe2p XPS谱。