13. Flexible Sandwich-Structured Silicone Rubber\/MXene\/Fe3O4 Composites for Tunable Electromagnetic Interference Shielding
作者：Hai-Yang Li, Xuan-He Ru, Ying Song, Huan-Ping Wang, Chen-Hui Yang, Shui-Rong Zheng, Lei Gong, Xi
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論文來源：期刊
具體來源：Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 61, 32, 11766–11776
發(fā)表時間：2022年
為保護(hù)新一代通信技術(shù)和可穿戴電子設(shè)備，迫切需要具有強(qiáng)電磁波吸收和低反射的高效電磁干擾（EMI）屏蔽材料。在這項工作中，通過真空輔助浸漬和固化的方法構(gòu)建了具有三明治結(jié)構(gòu)的硅橡膠/MXene/Fe3O4（SRMF）復(fù)合材料。SRMF復(fù)合材料的上層和下層是含有Fe3O4顆粒和SR的磁性層，中間層是MXene氣凝膠膜和SR的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)層。這種夾層結(jié)構(gòu)使復(fù)合材料能夠有效屏蔽入射電磁波，并按照“吸收-反射-再吸收”機(jī)制改善電磁波的吸收。含有1.2wt% MXene和20 wt% Fe3O4的電磁屏蔽性能夾層結(jié)構(gòu)SR復(fù)合材料達(dá)到55.5 dB，高于含有相同MXene和Fe3O4含量的共混SRM1.2F20b復(fù)合材料（23.1 dB），反射率的功率系數(shù)為0.65，SRMF復(fù)合材料在1000次彎曲循環(huán)后具有EMI屏蔽性能和良好的拉伸強(qiáng)度。因此，這些柔性SRMF復(fù)合材料在智能穿戴電磁防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1（a）為SRMF復(fù)合材料的制備流程示意圖。首先，通過選擇性蝕刻MAX（Ti3AlC2）來制備Ti3C2Tx（MXene），然后，通過冷凍干燥和模壓制備MXene氣凝膠膜（MAF）。為了制備三明治狀結(jié)構(gòu)的上層和下層，首先將液體SR與Fe3O4顆?；旌?；隨后，將具有一定含量Fe3O4的SR倒入培養(yǎng)皿（作為夾層結(jié)構(gòu)中的下層）；將MAF置于SR/Fe3O4層的頂部，并將適當(dāng)含量的SR倒入MAF上。真空輔助浸漬用于制備SR/MMAF層，直到?jīng)]有觀察到氣泡。然后，將Fe3O4含量與第一表面層相同的SR澆注到SR/MMAF層上。最后，將培養(yǎng)皿置于90°C的真空烘箱中2小時，以獲得夾層結(jié)構(gòu)的SR/MXene/Fe3O4復(fù)合材料。
圖1（b）和（c）顯示了SRMF的SEM圖像。從圖中可以看出，粒狀Fe3O4顆粒分布在SRM1.2Fy復(fù)合材料的上層和下層，致密的SR/MAF中間層顯示出明顯的褶皺和褶皺，EDS圖像觀察到明顯的夾層結(jié)構(gòu)，Si元素分布在所有層中，表明液體SR完全浸入MAF內(nèi)，固化后，復(fù)合材料的上層、中層和下層形成一個整體。復(fù)合材料中間層MXene氣凝膠膜的存在產(chǎn)生了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這可能有利于復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
圖1（a）三明治結(jié)構(gòu)SR/MXene/Fe3O4復(fù)合材料的制備過程示意圖。（b）SRM1.2F5和（c）SRM1.2F20復(fù)合材料的橫截面SEM圖像和元素映射。
圖2顯示SRMF復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。與SRM復(fù)合材料相比，隨著Fe3O4含量的增加，SRMF復(fù)合材料的平均電磁屏蔽效能從31.4 dB（SRM1.2F5）增加到55.5 dB（SRM2.2F20）。SRMF復(fù)合物在X波段的平均SEA顯著高于SRM1.2復(fù)合材料，并且SRMF的SEA隨著Fe3O4含量的增加而增加，而SER幾乎沒有變化（圖2（e））。將Fe3O4顆粒引入復(fù)合層增加了復(fù)合材料內(nèi)部電磁波的磁損耗，使得更多的電磁波被衰減和吸收。如圖3（f）所示，與SRM1.2復(fù)合材料（A系0.249）相比，SRM1.2F5、SRM1.2F10、SRM1.2 F15和SRM1.2F20復(fù)合材料的A系數(shù)分別增加至0.377、0.365、0.362和0.348。因此，與SRM復(fù)合材料一樣，SRMF復(fù)合材料的屏蔽機(jī)制主要是反射性的，但表現(xiàn)出更多的吸收。
為了進(jìn)一步揭示復(fù)合材料之間的結(jié)構(gòu)差異對電磁屏蔽性能的影響，比較了夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和混合樣品的電磁屏蔽性能。如圖3（g）所示，SRM1.2、SRM1.2b、SRM1.2 F20和SRM1.2F20b在X波段的平均電磁屏蔽性能分別為31.4 dB、7.65 dB、55.5 dB和23.0 dB，這表明復(fù)合材料的三明治狀結(jié)構(gòu)顯示出比混合樣品更好的電磁屏蔽性能。
圖2（a）SRM復(fù)合材料的EMI SE曲線與頻率。（b）X波段SRM復(fù)合材料的平均SET、SEA、SER和（c）平均R、A。（d） SRMF復(fù)合材料的EMI SE曲線與頻率。（e）X波段SRMF復(fù)合材料的平均SET、SEA、SER和（f）平均R、A。（g）夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和混合對比樣品的EMI SE曲線與頻率的關(guān)系。（h） X波段不同樣本的平均SET、SEA、SER。（i）本工作與報道的文獻(xiàn)之間的EMI屏蔽性能比較。
圖3顯示了三明治結(jié)構(gòu)SR/MXene/Fe3O4復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理示意圖。當(dāng)入射電磁波接觸復(fù)合材料的表面層時，包含絕緣SR和磁性Fe3O4的磁性層有效地調(diào)節(jié)了表面層與空氣之間的阻抗匹配，這允許更多的電磁波進(jìn)入復(fù)合材料。電磁波與表面層中的Fe3O4粒子相互作用，由于鐵磁共振和渦流損耗，降低了入射電磁波能量。由于中間層和表面層之間的導(dǎo)電性差異，當(dāng)入射電磁波接觸中間層時，發(fā)生阻抗失配，因此，一些電磁波被反射并返回到磁性表面層，在那里磁性粒子削弱了它們。其余的電磁波進(jìn)入中間層，并由于MXene表面的官能團(tuán)而經(jīng)歷極化損失。由于中間層的連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在電磁波的作用下會產(chǎn)生微電流，從而導(dǎo)致歐姆損耗。同時，MAF的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了入射電磁波的傳播路徑，導(dǎo)致每個入射電磁波被多次反射，并將電磁波轉(zhuǎn)換為熱量，從而進(jìn)一步衰減。SR和MAF之間有大量的界面，這會產(chǎn)生嚴(yán)重的界面極化和電導(dǎo)損失。對于磁偶極子和電偶極子，在電磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步削弱電磁波的能量。最后，只有一小部分電磁波通過SRMF復(fù)合材料。在夾層結(jié)構(gòu)的EMI屏蔽復(fù)合材料中，電磁波經(jīng)歷了“吸收-反射-再吸收”過程，其中，進(jìn)入磁性層的電磁波的一部分首先被吸收，然后被導(dǎo)電層反射并返回磁性層再次被吸收。這種屏蔽過程有效地減少了入射電磁波的反射，從而減少了它們對環(huán)境的二次污染。中間層中易氧化的MXene也受到磁性層和SR的保護(hù)，這確保了使用中復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性。
圖3三明治結(jié)構(gòu)SR/MXene/Fe3O4復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)制示意圖。