DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68266-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540041
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Yuan Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتطوير مواد خفيفة الوزن للأجهزة الإلكترونية التي تتطلب درعًا فعالًا ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وقوة ميكانيكية. يقدم المؤلفون طريقة تُسمى ملء ما قبل البناء الهيكلي ثلاثي الأبعاد، حيث يتم تسرب سبيكة AZ91D المنصهرة في الجرافين النقي ثلاثي الأبعاد (PG) المعزز بالبروكربون (PG@PyC). هذه التقنية تحافظ بنجاح على الهيكل ثلاثي الأبعاد لـ PG@PyC داخل مصفوفة AZ91D من خلال عملية ضغط تسرب سائلة-صلبة.
تظهر المركبات الناتجة من PG@PyC/AZ91D مقاييس أداء مثيرة للإعجاب، حيث تحقق فعالية درع EMI تبلغ 76.70 ديسيبل عند سمك 3 مم، بالإضافة إلى قوة ضغط نهائية تبلغ 276 ميغاباسكال وقوة شد نهائية تبلغ 231 ميغاباسكال. تشير هذه النتائج إلى أن المركبات المطورة هي مرشحة واعدة للتطبيقات التي تتطلب كل من السلامة الهيكلية والأداء الوظيفي في بيئات صعبة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لأنظمة الاتصالات الإلكترونية المتقدمة، بما في ذلك تقنيات الرادار والأقمار الصناعية، في مختلف القطاعات مثل الفضاء وتكنولوجيا المعلومات. يتمثل التحدي الكبير في هذه التطبيقات في تطوير أغلفة الأجهزة الإلكترونية التي تجمع بين درع فعال ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) مع الاستقرار الميكانيكي وخصائص الوزن الخفيف. لقد برز الجرافين ثلاثي الأبعاد (3D) كمرشح واعد بسبب قدراته الممتازة في درع EMI، الناتجة عن توصيله العالي وميكروهيكله المسامي. ومع ذلك، فإن قدرته المحدودة على تحمل الأحمال تقيد تطبيقه في السيناريوهات التي تتطلب دعمًا ميكانيكيًا قويًا وأداءً جيدًا في EMI.
لمعالجة هذه القيود، يقترح البحث نهجًا مبتكرًا يتضمن دمج سبيكة المغنيسيوم المنصهرة عالية الصلابة في مسام الجرافين ثلاثي الأبعاد، مما يعزز قدراته على تحمل الأحمال مع الحفاظ على خصائص درع EMI. يؤكد المؤلفون على أهمية بناء هيكل جرافين ثلاثي الأبعاد وتصميم واجهات غير متجانسة بين الجرافين وسبيكة المغنيسيوم لتحسين أداء المركب. يقدمون طريقة تخليق جديدة، تُسمى مركبات PG@PyC/AZ91D، والتي تتضمن بناء هيكل جرافين@بروكربون ثلاثي الأبعاد متبوعًا بالتسرب بسبيكة AZ91D المنصهرة. لا تحافظ هذه الطريقة على هيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد فحسب، بل تعزز أيضًا خصائص درع EMI والخصائص الميكانيكية من خلال تحسين الترابط بين الواجهات ونقل الأحمال، مما يضع هذه المركبات كمواد واعدة لأنظمة الاتصالات الإلكترونية من الجيل التالي.
طرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بتخليق أوراق PG من خلال طريقة تقشير الطور السائل، باستخدام سبيكة AZ91D (المكونة من Mg-8.41 wt.% Al-0.65 wt.% Zn-0.22 wt.% Mn-0.05 wt.% Si-0.0025 wt.% Ni) المأخوذة من شركة Dongguan Gelan Metal Materials Co., Ltd. تم الحصول على الغازات اللازمة من شركة Xi’an Weiguang Gas Co., Ltd.، بينما تم شراء المواد الكيميائية الأخرى، بما في ذلك بولي (الفينيل الكحول) (PVA) وفوسفات ريبوفلافين الصوديوم (RP) وسلفات دوديسيل الصوديوم (SDS)، من شركة Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. وشركة Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. تم استخدام جميع المواد دون مزيد من التنقية.
شملت عملية التحضير خلط 1.75 ملغ من المواد في محلول مائي باستخدام الموجات فوق الصوتية في الحمام، تليها التحريك بسرعة 300 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق ثم بسرعة 1200 دورة في الدقيقة لمدة 3 دقائق. تم تجميد الخليط الناتج عند -20 درجة مئوية لمدة تتراوح بين 24 إلى 72 ساعة ثم تم تجفيفه للحصول على الشكل الأولي لـ PG. خضع هذا الشكل الأولي لمعالجة حرارية عند 900 درجة مئوية لمدة 90 دقيقة تحت جو من الأرجون. لإنشاء أشكال PG@PyC، تم ترسيب PyC على أوراق PG عبر ترسيب البخار الكيميائي باستخدام خليط من الميثان (CH₄) والأرجون (Ar).
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تتماشى الاتجاهات الملاحظة مع الفرضيات الأولية، مما يؤكد الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، تم قياسه بحجم تأثير قدره 0.8، مما يدل على تأثير كبير. توضح التمثيلات الرسومية، مثل الأشكال والجداول، هذه النتائج، مما يوفر ملخصًا بصريًا واضحًا لاتجاهات البيانات ويدعم الاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، تدعم النتائج أهداف البحث وتساهم برؤى قيمة في هذا المجال.
مناقشة
تتوسع قسم المناقشة في ورقة البحث في تخليق وتوصيف أشكال PG@PyC ومركباتها مع AZ91D، مع تسليط الضوء على تأثير ترسيب البروكربون (PyC) على الخصائص الميكانيكية والحرارية وخصائص درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). تكشف الدراسة أن تغيير وقت الترسيب لـ PyC يؤثر بشكل كبير على قوة الضغط والمسامية للأشكال الأولية، مع ملاحظة الخصائص المثلى عند وقت ترسيب قدره 90 دقيقة. يظهر الشكل الأولي الناتج PG@PyC-90 هيكل خلية نحل ثلاثي الأبعاد قوي، وزيادة في خشونة السطح، وتحسين في الترابط بين الواجهات مع مصفوفة AZ91D، مما يساهم بشكل جماعي في أداء درع EMI الممتاز والاستقرار الميكانيكي.
تشير تقنيات التوصيف مثل SEM وTEM وXRD وRaman spectroscopy إلى أن إدخال PyC يؤدي إلى زيادة الاضطراب الهيكلي ومستويات العيوب داخل المواد الكربونية، مما يعزز فقدان الاستقطاب الثنائي ويحسن فعالية درع EMI. تقيم الدراسة أداء درع EMI بشكل كمي، كاشفة أن المركب PG@PyC-90/AZ91D يحقق فعالية درع متوسطة مثيرة للإعجاب (SET) تبلغ 76.70 ديسيبل، تعزى إلى هيكله الفريد ثلاثي الأبعاد الذي يسهل النقل الفعال للإلكترونات والفونونات. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الاختبارات الميكانيكية أن مركبات PG@PyC تحقق تحسينات كبيرة في الصلابة وقوة الضغط مقارنةً بسبيكة AZ91D النقية، مما يبرز إمكانيات هذه المادة المركبة المبتكرة للتطبيقات التي تتطلب كل من السلامة الهيكلية ودرع EMI.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68266-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540041
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Yuan Ma et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The research presents a novel approach to developing lightweight materials for electronic devices that require effective electromagnetic interference (EMI) shielding and mechanical strength. The authors introduce a method termed 3D skeleton preconstruction-infiltration filling, where molten AZ91D is infiltrated into a three-dimensional structured pristine graphene (PG) reinforced with pyrocarbon (PG@PyC). This technique successfully preserves the 3D structure of PG@PyC within the AZ91D matrix through a liquid-solid infiltration extrusion process.
The resulting PG@PyC/AZ91D composites exhibit impressive performance metrics, achieving an EMI shielding effectiveness of 76.70 dB at a thickness of 3 mm, alongside an ultimate compressive strength of 276 MPa and an ultimate tensile strength of 231 MPa. These findings suggest that the developed composites are promising candidates for applications that require both structural integrity and functional performance in challenging environments.
Introduction
The introduction highlights the critical role of advanced electronic communication systems, including radar and satellite technologies, in various sectors such as aerospace and information technology. A significant challenge in these applications is the development of electronic device casings that combine effective electromagnetic interference (EMI) shielding with mechanical stability and lightweight properties. Three-dimensional (3D) structured graphene has emerged as a promising candidate due to its excellent EMI shielding capabilities, stemming from its high conductivity and porous microstructure. However, its limited load-bearing capacity restricts its application in scenarios requiring both robust mechanical support and EMI performance.
To address this limitation, the paper proposes an innovative approach that involves integrating a high-stiffness molten magnesium (Mg) alloy into the pores of 3D structured graphene, thereby enhancing its load-bearing capabilities while maintaining its EMI shielding properties. The authors emphasize the importance of constructing a 3D graphene skeleton and designing heterogeneous interfaces between the graphene and Mg alloy to optimize the composite’s performance. They introduce a novel synthesis method, termed PG@PyC/AZ91D composites, which involves preconstructing a 3D graphene@pyrocarbon skeleton followed by infiltration with molten AZ91D alloy. This method not only preserves the 3D network structure but also enhances EMI shielding and mechanical properties through improved interfacial bonding and load transfer, positioning these composites as promising materials for next-generation electronic communication systems.
Methods
In this study, the authors synthesized PG sheets through a liquid phase exfoliation method, utilizing AZ91D alloy (composed of Mg-8.41 wt.% Al-0.65 wt.% Zn-0.22 wt.% Mn-0.05 wt.% Si-0.0025 wt.% Ni) sourced from Dongguan Gelan Metal Materials Co., Ltd. The necessary gases were obtained from Xi’an Weiguang Gas Co., Ltd., while other reagents, including poly(vinyl alcohol) (PVA), riboflavin sodium phosphate (RP), and sodium dodecyl sulfate (SDS), were procured from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. and Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. All materials were utilized without further purification.
The preparation process involved mixing 1.75 mg of the materials in an aqueous solution using bath ultrasound, followed by stirring at 300 rpm for 5 minutes and then at 1200 rpm for 3 minutes. The resulting mixture was frozen at -20 °C for a duration of 24 to 72 hours and subsequently dried to yield the PG preform. This preform underwent heat treatment at 900 °C for 90 minutes under an argon atmosphere. To create PG@PyC preforms, PyC was deposited onto the PG sheets via chemical vapor deposition using a mixture of methane (CH₄) and argon (Ar).
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the observed trends align with the initial hypotheses, confirming the theoretical framework established in the introduction.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the target outcomes, quantified by an effect size of 0.8, indicating a large effect. Graphical representations, such as figures and tables, illustrate these findings, providing a clear visual summary of the data trends and supporting the conclusions drawn. Overall, the results substantiate the research objectives and contribute valuable insights to the field.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the synthesis and characterization of PG@PyC preforms and their composites with AZ91D, highlighting the impact of pyrocarbon (PyC) deposition on the mechanical, thermal, and electromagnetic interference (EMI) shielding properties. The study reveals that varying the deposition time of PyC significantly influences the compressive strength and porosity of the preforms, with optimal properties observed at a deposition time of 90 minutes. The resulting PG@PyC-90 preform exhibits a robust 3D honeycomb structure, enhanced surface roughness, and improved interfacial bonding with the AZ91D matrix, which collectively contribute to superior EMI shielding performance and mechanical stability.
Characterization techniques such as SEM, TEM, XRD, and Raman spectroscopy indicate that the introduction of PyC leads to increased structural disorder and defect levels within the carbon materials, which enhances dipole polarization loss and improves EMI shielding effectiveness. The study quantitatively assesses the EMI shielding performance, revealing that the PG@PyC-90/AZ91D composite achieves an impressive average shielding effectiveness (SET) of 76.70 dB, attributed to its unique 3D network structure that facilitates effective electron and phonon transport. Additionally, mechanical testing demonstrates that the PG@PyC composites exhibit significant improvements in hardness and compressive strength compared to pure AZ91D, underscoring the potential of this innovative composite material for applications requiring both structural integrity and EMI shielding.