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南開大學(xué)黃毅教授 JMCA:面向6G的多功能寬頻電磁屏蔽薄膜
2023-03-02  來(lái)源:高分子科技

  隨著信息通訊行業(yè)的高速發(fā)展,第六代移動(dòng)通信技術(shù)(6G)的相關(guān)研究正在成為備受關(guān)注的前沿領(lǐng)域中美日韓等設(shè)定的6G信號(hào)操作頻段將覆蓋高頻吉赫茲(GHz)到太赫茲(THz)波段,其傳輸速率將達(dá)到1Tbps,網(wǎng)絡(luò)延遲降低到微秒級(jí),真正實(shí)現(xiàn)“空天地!币惑w化通信。然而相比于5G,6G信號(hào)頻率高,傳輸速率快,器件發(fā)熱量大,使用環(huán)境更為嚴(yán)苛,這也導(dǎo)致其更易受到干擾,因此,對(duì)超寬頻電磁屏蔽材料提出了更高的要求,需要發(fā)展多功能集成的新材料體系。


  近日,南開大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種集力熱電磁等多功能一體化的MXene寬頻電磁屏蔽薄膜;凇皻滏I誘導(dǎo)自組裝”設(shè)計(jì)理念,作者將MXene和芳香族聚酰胺(PA)乳液進(jìn)行溶液復(fù)合,利用兩者間豐富的氫鍵相互作用,實(shí)現(xiàn)原位組裝沉降,然后經(jīng)由真空抽濾制備復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn),該復(fù)合材料具有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。首先,該薄膜對(duì)GHzTHz信號(hào)均具有強(qiáng)烈的電磁響應(yīng)性質(zhì),在低厚度下可實(shí)現(xiàn) THz/ GHz兼容的高屏蔽性能52.7 dB@0.2~1.6 THz,38.9dB@8.2~12.4GHz。 其次,MXene PA間高密度氫鍵相互作用賦予復(fù)合薄膜優(yōu)異的機(jī)械性能(493 MPa)和耐熱性(Tg > 260℃和 Td > 520℃)。第三,復(fù)合材料具有良好的嚴(yán)苛環(huán)境穩(wěn)定性,在高/低溫(-193~250℃)、短時(shí)熱沖擊(500℃/30s)、酸//鹽侵蝕等各種惡劣環(huán)境下均展現(xiàn)出較好的耐久性,其電磁屏蔽性能和機(jī)械性能幾乎沒(méi)有變化。此外,它還集成了出色的焦耳加熱性能,輸出溫度可穩(wěn)定保持在225℃。綜上,該薄膜材料顯示出優(yōu)異電磁屏蔽和多功能特性,在未來(lái)6G通信等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。 


圖一:MXene/PA復(fù)合薄膜的制備流程及自組裝機(jī)制


  由于PAMXene間的高密度氫鍵相互作用,復(fù)合薄膜力學(xué)性能最高可達(dá)493MPa。界面是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素,研究者測(cè)試了薄膜在拉伸狀態(tài)下的原位Raman光譜,結(jié)果顯示MXenePA在拉伸過(guò)程中均產(chǎn)生分子/晶格結(jié)構(gòu)的形變,并且與應(yīng)變呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì),表明復(fù)合材料具有良好的界面應(yīng)力傳遞性質(zhì),因此賦予了其高力學(xué)性能。 


圖2. 復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和界面應(yīng)力傳遞機(jī)制


  研究者利用DMA、TMATGA 測(cè)試了復(fù)合薄膜的熱穩(wěn)定性和耐久性,結(jié)果顯示其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度超過(guò)260,熱降解溫度大于520,并且熱膨脹系數(shù)最低可達(dá)4 ppm/,在250的熱臺(tái)上可穩(wěn)定保持其形狀。 


圖3. 不同復(fù)合薄膜的耐熱性能(DMA、TMA)和熱穩(wěn)定性能(TGA


  在電磁屏蔽性質(zhì)方面,隨著薄膜內(nèi)MXene含量的提升,復(fù)合薄膜的THz EMI SE值逐漸增加,0.2~1.6 THz的平均屏蔽效率可達(dá)52.7 dB,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的碳基電磁屏蔽材料。此外,其在X波段(GHz)的電磁屏蔽性質(zhì)也得到證實(shí),表明MXene/PA是一種THz/GHz多頻譜兼容的電磁屏蔽材料。  


圖4. 復(fù)合薄膜的THz波屏蔽性質(zhì)


  此外,復(fù)合薄膜還具備joule-heating性質(zhì),其穩(wěn)定輸出溫度可達(dá)225℃,并且還展現(xiàn)出良好的阻燃自熄性質(zhì)。 


圖5. 復(fù)合薄膜的joule-heating及阻燃性能


  以上工作是該團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于電磁功能材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一,以“Multifunctional MXene-based composite films with simultaneous terahertz/gigahertz wave shielding performance for future 6G communication”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A上。南開大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型電磁功能材料的研究,于2015年率先發(fā)展了基于三維石墨烯的寬頻雷達(dá)隱身材料,實(shí)現(xiàn)了吸波強(qiáng)度和有效吸波頻段可調(diào)(Adv. Mater., 2015, 27, 2049);2018年首次報(bào)道了石墨烯復(fù)合材料的高效、超寬頻太赫茲吸波性能(Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363);2022年制備了新型Fe3GeTe2二維磁性屏蔽/吸波材料(ACS Nano, 2022,16, 7861Adv. Funct. Mater., 2023, 2210578),以及具有智能開關(guān)效果的石墨烯/VO2吸波復(fù)合材料(Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2205160.)。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1039/D2TA09879B


通訊作者簡(jiǎn)介:

  黃毅,南開大學(xué)材料學(xué)院教授,副院長(zhǎng),碳納米及高分子復(fù)合材料研究中心主任。先后承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973、863、國(guó)際合作、國(guó)防重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)課題。在新型低維納米材料的設(shè)計(jì)制備、電磁性質(zhì)調(diào)控、高性能吸波/屏蔽材料開發(fā)和應(yīng)用等方面取得了系列創(chuàng)新成果,并開拓了其在電子信息、航空航天及國(guó)防軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái),在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等刊物發(fā)表論文150余篇,先后有22篇文章入選ESI高被引論文,共被引用25000余次,H因子55,連續(xù)多次入選科睿唯安 “全球高被引科學(xué)家”及愛(ài)思唯爾“中國(guó)高被引學(xué)者”。曾獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(20181項(xiàng),天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)(2015,2010)和二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2021)。

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