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  隨著5G移動(dòng)通訊等先進(jìn)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁波輻射污染問(wèn)題日益凸顯，尋求輕質(zhì)、高效、安全的新型電磁屏蔽材料已成為下一代高功率電子設(shè)備獲得安全可靠電磁防護(hù)最為緊迫的需求。導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（Conductive Polymer Composites，CPCs）以輕質(zhì)柔性、易于成型、電磁性能可調(diào)等優(yōu)勢(shì)在電磁屏蔽材料領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。但當(dāng)前基于阻抗不匹配策略設(shè)計(jì)的超高效CPCs電磁屏蔽材料具有強(qiáng)烈的電磁波反射特征，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁波二次污染，難以滿足智能電子設(shè)備安全、綠色的電磁防護(hù)要求。開(kāi)發(fā)具有低電磁波反射特征的超高效CPCs屏蔽材料已逐漸成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，基于宏觀均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成CPCs恒定難調(diào)的電導(dǎo)率，恒定電導(dǎo)率下固定的阻抗匹配特性必然導(dǎo)致高屏蔽效能與低電磁波反射特征之間無(wú)法調(diào)和的矛盾，難以從根本上獲得以吸收機(jī)制為主導(dǎo)的超高效CPCs電磁屏蔽材料。

  針對(duì)上述難題，中北大學(xué)段宏基、楊雅琦副教授課題組在近期提出對(duì)CPCs進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究新思路，通過(guò)泡孔結(jié)構(gòu)中非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑實(shí)現(xiàn)了超高效CPCs電磁屏蔽材料極低的電磁波反射特征。該研究成果近日以“Asymmetric Conductive Polymer Composite Foam for Absorption Dominated Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding with Extremely Low Reflection Characteristics”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》雜志上。(DOI: 10.1039/D0TA01393E) 

圖1利用密度誘導(dǎo)填料有序分離在WPU復(fù)合泡沫中構(gòu)筑非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程示意圖

  為獲得真正以吸收機(jī)制為主導(dǎo)的CPCs電磁屏蔽材料，課題組在前期低反射特征CPCs電磁屏蔽材料研究工作的基礎(chǔ)上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10: 19143; Appl. Surf. Sci. 2019, 469: 1; Composites Part A 2020, 129: 105692; Composites Part B 2020, 184: 107745），提出在泡孔結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)新策略，將取向冷凍干燥技術(shù)與密度誘導(dǎo)填料分離的控制方法相結(jié)合，以取向冷凍過(guò)程中不同密度填料粒子對(duì)冰晶生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力的響應(yīng)差異作為非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)控制手段，在水性聚氨酯（WPU）的取向泡孔結(jié)構(gòu)中自下而上依次構(gòu)筑了從石墨烯負(fù)載四氧化三鐵（rGO@Fe₃O₄）強(qiáng)磁性弱導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（磁滯損耗層）向鍍銀膨脹微球（EBAg）強(qiáng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（反射屏蔽層）過(guò)渡的非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)WPU電磁屏蔽性能與反射特征的有效調(diào)控。

圖2 WPU低反射特征電磁屏蔽復(fù)合泡沫的屏蔽機(jī)理(a)及屏蔽性能(b)

  得益于非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性及其磁滯損耗層和反射屏蔽層的合理設(shè)計(jì)，電磁波在入射磁滯損耗層時(shí)由于rGO@Fe₃O₄強(qiáng)磁性弱導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)良好的阻抗匹配特性幾乎不發(fā)生反射，而在進(jìn)入復(fù)合泡沫內(nèi)部后由于EBAg強(qiáng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的反射作用將經(jīng)歷特殊的“吸收-反射-再吸收”過(guò)程。在此過(guò)程中，借助泡孔結(jié)構(gòu)的多重界面反射吸收機(jī)制與磁滯損耗的耦合作用，電磁波的透過(guò)和逸出均得到了有效抑制，從而使材料在獲得超高效電磁屏蔽性能的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)極低的電磁波反射特征。具有非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的WPU復(fù)合泡沫在X波段的平均電磁屏蔽效能高達(dá)84.8 dB，其中吸收效能高達(dá)84.5 dB，同時(shí)電磁波反射系數(shù)（R）低至0.08，是目前報(bào)道的高效電磁屏蔽材料的最低R值。同時(shí)，填料網(wǎng)絡(luò)的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也賦予了復(fù)合泡沫良好的耐水屏蔽穩(wěn)定性和優(yōu)異的循環(huán)壓縮回彈性。該工作為低反射特征高效電磁屏蔽復(fù)合材料的研究提供了新的思路。

圖3 WPU低反射特征電磁屏蔽復(fù)合泡沫的耐水屏蔽性能(a,b)和循環(huán)壓縮性能(c,d)

  論文第一作者為段宏基副教授，通訊作者為楊雅琦副教授，劉亞青教授為共同通訊作者。研究工作得到四川大學(xué)李忠明教授、鄢定祥研究員、鄭州大學(xué)代坤教授、揚(yáng)州大學(xué)高杰峰教授的支持和幫助，該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/TA/D0TA01393E