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河北工業(yè)大學(xué)殷福星教授團(tuán)隊(duì):MXene/三聚氰胺海綿與3D打印透波樹脂基底協(xié)同構(gòu)筑電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)
2021-02-10  來源:高分子科技

  隨著無線通信技術(shù)和電子設(shè)備的飛速發(fā)展,尤其對于高端通信設(shè)備、飛行器和水面艦艇等裝備,為響應(yīng)和適應(yīng)快速變化的復(fù)雜電磁環(huán)境,迫切需要能夠同時滿足對電磁波透波和屏蔽的多功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。盡管目前已經(jīng)報道了很多具有優(yōu)異性能的電磁屏蔽復(fù)合材料,但是制造一種屏蔽材料或結(jié)構(gòu)同時滿足通信過程中電磁波的屏蔽和透波,且能夠?qū)ζ帘涡阅苓M(jìn)行可控調(diào)節(jié),仍然是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。


  為了解決上述問題,河北工業(yè)大學(xué)殷福星教授團(tuán)隊(duì)的袁野教授和苑文靜副研究員等提出了電磁屏蔽開關(guān)的概念(Electromagnetic Interferences Shielding Switch),并初步制備了一種性能可控的電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu),初步驗(yàn)證一種材料可以同時實(shí)現(xiàn)電磁波屏蔽和透波功能。該電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)由MXene /三聚氰胺海綿和3D打印透波樹脂基底組成,初步研究表明,電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)通過簡單的機(jī)械位移可以在S波段實(shí)現(xiàn)以吸收損耗為主電磁屏蔽效果,電磁屏蔽效能可以自由的從?0 dB調(diào)節(jié)到?43.1 dB,從而在一種材料中同時實(shí)現(xiàn)電磁波透波和屏蔽兩種功能。


圖1 電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備過程示意圖。


  該電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)(3DMMS)的典型工作原理如圖2所示。每個開關(guān)是由兩個單元組成。每個單元由多個導(dǎo)電的MXene/三聚氰胺海綿(MMS)和透波絕緣的樹脂基底兩種基本單元組成。優(yōu)異的電學(xué)性能使得復(fù)合海綿對電磁波具有優(yōu)異的屏蔽吸收作用,因此MMS形成以吸收為主的電磁屏蔽路徑,而3D打印的樹脂則提供了透波路徑。在調(diào)控電磁波屏蔽或者透波的過程中,只需通過更改一個開關(guān)單元的位移(水平方向或垂直方向)并同時固定另一個單元即可滿足。 


圖2 電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)對電磁波屏蔽和透過調(diào)控的效果。


  圖3給出了電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽測試結(jié)果與電磁仿真結(jié)果對比。電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)控制過程中,除了宏觀物理尺寸的變化外,MMS中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)也隨著變形而發(fā)生了變化。而在建模過程中為簡化模型則忽略了MMS中的微觀結(jié)構(gòu)變化。因此,仿真結(jié)果與實(shí)際測試電磁屏蔽效能數(shù)據(jù)顯示出一些差異。


圖3 電磁屏蔽開關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)的電磁仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果對比


  相關(guān)研究成果“Conductive MXene/melamine sponge combined with 3D printing resin base prepared as an electromagnetic interferences shielding switch”近期發(fā)表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上。該項(xiàng)目受到國家自然科學(xué)基金、JCJQ項(xiàng)目和裝備預(yù)研重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金等項(xiàng)目資助。


  文章鏈接:Yuan, W.; Liu, H.*; Wang, X.; Huang, L.*; Yin, F.; Yuan, Y.*, Conductive MXene/melamine sponge combined with 3D printing resin base prepared as an electromagnetic interferences shielding switch. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2021, 143, 106238.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106238

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