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浙工大王旭教授/馬猛副教授團(tuán)隊(duì) CEJ：高屏蔽、低反射磁-電雙梯度結(jié)構(gòu)電磁屏蔽復(fù)合膜材料
2022-10-15  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，5G時(shí)代推動(dòng)了電子電氣設(shè)備的快速發(fā)展，大量新興電子電氣設(shè)備涌入交通、通信、家用電器等人類(lèi)生活中的每個(gè)角落，為生活帶來(lái)了便利。但是，同時(shí)也產(chǎn)生了更多的電磁(EM)輻射，使周?chē)碾姶怒h(huán)境更加惡劣，引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。高效的電磁屏蔽材料可以有效的減輕或消除電磁輻射帶來(lái)的影響。相對(duì)于比重大、耐酸堿性差的傳統(tǒng)金屬材料，碳基材料由于具有輕量和柔韌性好的特點(diǎn)受到了人們的青睞，但是如何設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種輕薄、高效能同時(shí)兼具低反射特性的電磁屏蔽材料仍是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。


  基于上述背景，并在前期可控梯度導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜屏蔽材料研究的基礎(chǔ)上（Compos Sci Technol, 2022, 226, 109540），浙江工業(yè)大學(xué)的王旭教授、馬猛副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)逐層真空過(guò)濾法制備了具有可控磁電雙梯度結(jié)構(gòu)的多層CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜（圖1）。梯度結(jié)構(gòu)有效優(yōu)化了復(fù)合膜與空氣的阻抗匹配，豐富了損耗機(jī)制(介質(zhì)損耗、磁損耗、多重反射損耗)，促進(jìn)電磁波在復(fù)合膜基體中發(fā)生衰減損耗，從而減少電磁波反射。當(dāng)復(fù)合膜厚度為340 μm 時(shí)，其EMI SE達(dá)到58.0 dB，而R值降至0.61（圖2）。同時(shí)為深入探究磁-電雙梯度結(jié)構(gòu)的作用，研究了不同入射方向下復(fù)合膜的電磁屏蔽性能（圖3）。當(dāng)入射方向改變時(shí)，三種復(fù)合膜的SET幾乎相同，但SER有顯著差異，證明了磁電雙梯度結(jié)構(gòu)的高效性和合理性。此外，本工作還深入研究了過(guò)渡層和反射層厚度對(duì)EMI屏蔽性能的影響（圖4、圖5）。復(fù)合膜的SET不隨過(guò)渡層厚度的變化而變化，然而隨著過(guò)渡層厚度的增加，電磁波有更多機(jī)會(huì)與MXene和FeCo相互作用衰減，SER顯著降低。復(fù)合膜的SET隨反射層厚度的增加而增加，復(fù)合膜的R值保持穩(wěn)定。梯度結(jié)構(gòu)中的過(guò)渡層在改善阻抗匹配、提供介電損耗和磁損耗方面發(fā)揮了重要的作用，而反射層的作用是阻止電磁波穿過(guò)材料并提供EMI SE。針對(duì)上述結(jié)果，論文提出了復(fù)合膜的電磁屏蔽及電磁波的吸收機(jī)理（圖6），這項(xiàng)工作對(duì)進(jìn)一步提高電磁干擾屏蔽材料的吸收性能和屏蔽性能具有一定的指導(dǎo)意義。研究成果近日以“Cellulose nanofiber/MXene/FeCo composites with gradient structure for highly absorbed electromagnetic interference shielding”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊，論文的通訊作者為浙江工業(yè)大學(xué)王旭教授、馬猛副教授，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，浙江省自然基金和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。


圖1 CNF/MXene/FeCo梯度復(fù)合膜制備示意圖及CNF/MXene(0-5-10-15-100)、 CNF/MXene/FeCo-H、CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合薄膜斷面形貌


圖2 CNF/MXene(0-5-10-15-100)、CNF/MXene/FeCo-H和CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合膜的電磁屏蔽性能


圖3 復(fù)合膜在不同入射方向的電磁屏蔽性能


圖4 過(guò)渡層厚度對(duì)復(fù)合膜電磁屏蔽及電磁波吸收性能的影響


圖5反射層厚度對(duì)復(fù)合膜電磁屏蔽及電磁波吸收性能的影響

圖6 CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合膜的EMI屏蔽機(jī)理


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于電磁屏蔽材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在過(guò)去的幾年中，該團(tuán)隊(duì)著眼于聚合物基功能復(fù)合材料的制備及結(jié)構(gòu)性能調(diào)控研究，通過(guò)真空輔助抽濾法制備了具有各向異性高導(dǎo)熱、電絕緣的納米纖維素（NFC）基復(fù)合薄膜（Chem. Eng. J, 2020, 392, 123714）；探索研究了不同大小氧化鋁(Al2O3)顆粒負(fù)載的還原氧化石墨烯雜化填料對(duì)NFC基復(fù)合薄膜導(dǎo)熱性能的影響（Nanotechnology, 2022, 33, 135711）；以MXene輔助GNPs分散的方法實(shí)現(xiàn)了制備兼具優(yōu)異電磁屏蔽性能和高面內(nèi)導(dǎo)熱性能的復(fù)合薄膜（ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 7217?7227）。另外，通過(guò)真空輔助過(guò)濾過(guò)程中的沉積自然形成磁-電雙梯度結(jié)構(gòu)的CP/PGFF/Fe3O4復(fù)合材料（J Mater Sci Technol, 2023, 133, 102-110），實(shí)現(xiàn)了良好的電磁干擾屏蔽性能，在通信技術(shù)、信息泄漏防護(hù)和便攜式電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139471

  https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109540

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123714

  https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac44e7

  https://doi.org/10.1021/acsanm.2c01126

  https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.05.057

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