一、研究背景

随着无线通信设备、大功率信号基站、甚至家用WIFI发射机的日益普及，电磁（EM）干扰（EMI）污染已成为我们日常生活中最受关注的问题因此，能够有效吸收或反射这种辐射的高性能电磁干扰屏蔽材料在工业和科学领域引起了极大的关注然而，以反射为主的电磁干扰屏蔽会使反射电磁波（emw）发射到外界环境中，诱发二次电磁污染因此，对主要依赖于吸收主导的屏蔽机制的电磁干扰屏蔽材料的需求很大，特别是在军事和航空航天应用等专业领域。值得注意的是，在工作条件下，长时间暴露于应用电磁场会导致不良的热积累，缩短材料的使用寿命吸收的电磁能可以通过焦耳热散失因此，将有效的焦耳加热特性纳入屏蔽材料的设计中是至关重要的。

在各种屏蔽材料中，传统的金属基材料由于其高密度、昂贵的加工成本和依赖于反射主导的机制，在其用于EMI屏蔽应用的能力方面存在固有的局限性此外，尽管在制造导电聚合物复合材料方面已经取得了巨大的进步，但它们的加工稳定性和机械性能往往受到高填充量需求的阻碍为此，碳材料由于其相对于金属或聚合物基材料的综合优势而引起了人们的广泛关注值得注意的是，现代社会对可持续发展的要求越来越高，对环境的友好性和可降解性提出了更高的要求。因此，各种天然产物，如木材，核桃壳，大米，蛋壳膜和杨梅，已被报道通过直接碳化作为屏蔽材料。此外，木材的多孔结构包含沿生长方向排列的微通道，这些微通道作为许多叠加的波导，可以有效地衰减emw因此，利用木材衍生的碳材料提出了一种有前途和可行的方法来生产高性能的电磁干扰屏蔽材料。

尽管取得了相当大的进步，但碳化后木材的导电性将大大提高，从而增加了反射对电磁干扰屏蔽的贡献。因此，有必要将吸收为主的屏蔽机制纳入木材衍生的碳材料中。在碳材料中引入磁性金属纳米颗粒已被证明可以有效地增加碳材料的吸收贡献。由于磁性金属颗粒（如Fe、Co和Ni）的尺寸减小，它们在纳米尺度上表现出减弱的趋肤效应，从而使反射最小化。此外，它们的高饱和磁化值会比金属氧化物造成更大的磁损失。然而，微小的磁性金属纳米粒子表面自由能低，使其易于聚集，导致其分布不均匀，大小和形状多变此外，磁性金属纳米颗粒也容易被氧化。这些特性限制了它们作为电磁干扰屏蔽材料的有效性。

在此，我们通过改进的化学气相沉积（CVD）方法，将碳化木材（CW）嵌入Co@CNTs，开发了一种屏蔽材料，产生Co@CNTs/CW泡沫。Co纳米颗粒被包裹在碳纳米管中，导致均匀分散在整个泡沫中。此外，通过Co含量的调节，Co@CNTs/CW泡沫在碳纳米管长度、缺陷密度和异质界面数量上表现出变化。根据这一点，密度泛函理论（DFT）计算表明，随着缺陷密度的增加，Co@CNTs中的功函数、电荷密度和偶极矩同时增强。因此，可以强调的是，界面和缺陷引起的极化在屏蔽机制中起着至关重要的作用，最终导致从反射到吸收的过渡。值得注意的是，在电压驱动加热的刺激下，Co@CNTs/CW泡沫的吸收率显著提高，无论Co含量如何，吸收率都在0.61至0.73之间。

二、摘要

为了应对复杂的应用场景，碳材料可以提供将多功能集成到优越的电磁干扰（EMI）屏蔽性能中的机会。然而，碳材料通常具有高导电性，这使得它们能够通过反射来抵消电磁波。此外，确定主导屏蔽机制的因素通常以结果为导向，导致依赖于屏蔽材料开发的试错方法。因此，确定电磁干扰屏蔽的主要因素并阐明碳材料中反射和吸收平衡协调的机制至关重要。在这项研究中，我们开发了一种有前途和可行的方法，通过化学气相沉积将Co@CNTs嵌入碳化木材（CW）中，产生Co@CNTs/CW泡沫。在连续波表面密集生长的碳纳米管将Co纳米颗粒紧密包裹在其中。通过控制Co含量，缺陷密度和碳纳米管长度在Co@CNTs范围内发生变化。通过第一性原理计算，这些变化实质上影响了Co@CNTs的功函数、电荷密度和偶极矩。因此，缺陷诱导极化和界面极化得到改善，导致屏蔽机制从反射转变为吸收。对于Co@CNTs/CW泡沫，虽然高导电性是获得满意屏蔽性能的必要条件，但极化损耗的增加主导了吸收对整体屏蔽效果的贡献。利用增强的偏振，Co@CNTs/CW泡沫显示出令人印象深刻的42.0 dB的屏蔽效率，以及0.64的吸收率，这有助于有效地减少二次反射。值得注意的是，这些制备的泡沫具有优异的疏水性和焦耳加热特性，水接触角为138°，饱和温度为85.5°C （2.5 V）。通过电压驱动焦耳加热的刺激，Co@CNTs/CW泡沫的吸光率可以显著提高到0.61 ~ 0.73，与Co含量无关。该研究将为设计吸收主导机制与电磁干扰屏蔽性能相结合的碳材料提供新的途径。

三、结论

我们采用了一种开创性的化学工程方法，在多孔3D碳骨架中培养Co@CNT杂化体，产生Co@CNTs/CW泡沫。本研究制备的泡沫具有屏蔽电磁干扰、疏水性和焦耳加热等多种功能。C-Co-1.0具有更多的缺陷和异质界面，这是导致极化损耗增加的主要原因。因此，C-Co-1.0屏蔽电磁干扰的主要机制是吸收，这归因于缺陷诱导极化和界面极化的增强。此外，焦耳加热能力有可能提高吸收率，有效地放大吸收对电磁干扰屏蔽性能的贡献。这项研究的发现为设计将疏水性和焦耳加热特性与EMI屏蔽相结合的碳材料开辟了新的途径。

图1.(a)制备工艺示意图，(b) Co@CNTs中Co的SEM图像和元素映射图像，(c), (d) c -Co-1.0的表面形貌，(e)碳纳米管封装的Co纳米颗粒的SEM和(f) TEM图像，(g) - (j)生长的碳纳米管长度，(k)碳纳米管中杂交Co切片的HRTEM图像，(l)尖端Co切片的离轴电子全息图，(m)电势图，(n)相邻Co纳米颗粒周围的电荷分布密度。

图2.(a)与文献相比，Co@CNTs/CW泡沫的EMI setvs .频率，(b) 22ghz时EMI SET、SER和SEA值，(c)反射率vs . SER值，(d)功率系数，(e)实际介电常数vs .频率，(f) 22ghz时的皮肤深度，(g)吸收率vs . SET和ssetvs . SET；面板内编号为（ESI†）表S2中列出的参考编号；(h)以吸收为主的屏蔽机理示意图。