一、研究背景：
随着電子通訊行業的迅速發展，大量新興電子電器裝置湧入人類的交通、通信、家用電器等生活中的每個角落，為人類的生活提供了極大的便利。但是，它們也會産生不同頻率的電磁輻射，給人們的生産生活帶來不便。随着電子器件的全面普及、電子元器件的精密度和靈敏度越來越高，電磁輻射所帶來的危害也越來越嚴重，引發了一系列的環境問題和社會問題。電磁輻射的不利影響主要展現在電子元器件之間的電磁幹擾、電磁資訊洩露和電磁波對人體的危害。電磁屏蔽材料，是指放入某個區域中，通過對電磁波的反射和吸收來降低電磁波的透射，進而起到防輻射的作用的材料。目前大多數電磁屏蔽材料采用金屬、金屬納米線、石墨烯等，雖然實作了高屏蔽值，但大多數電磁波在材料表面被反射，造成二次污染，是以如何緩和低反射與高電磁屏蔽性能之間的沖突，成為了研究者們探索的熱點問題。
二、研究成果
中北大學劉亞青、段宏基課題組報道了通過逐層澆鑄法制備的電-磁梯度可控多層水性聚氨酯基電磁屏蔽複合材料，使用納米填料為[email protected] 和 MWCNT，建構的有序多層屏蔽網絡賦予聚氨酯複合材料正電導率梯度和負磁導率梯度，入射的電磁波曆經4 “吸收-反射-再吸收”過程，以及界面極化損耗引起的吸收過程，以至于材料具有高的電磁屏蔽效能值和較低的反射率，當電磁屏蔽SE值達到35.9 dB時，反射率僅0.27，這項工作為下一代智能電子裝置吸收主導的可控電磁屏蔽材料設計制備提供了新思路。相關工作以“Multilayer WPU conductive composites with controllable electro-magnetic gradient for absorption-dominated electromagnetic interference shielding”為題發表在複合材料領域著名TOP期刊 《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上。
三、圖文速遞
圖1 [email protected]/MWCNT/WPU複合材料制備方法示意圖
這種[email protected]/MWCNT/WPU複合材料的制備方法是：首先采用水熱還原法制備[email protected]分散液，經冷凍幹燥後得到[email protected]磁性複合材料，将其加入聚氨酯乳液中，超聲處理得到[email protected]/WPU分散液。MWCNT/WPU分散液的制備方法是：首先用去離子水對聚氨酯乳液進行稀釋，再将MWCNT加入其中超聲攪拌即可。随後采用逐層澆鑄法制備[email protected]/MWCNT/WPU複合材料，從上到下依次為[email protected]/WPU、[email protected]/WPU、[email protected]/WPU、MWCNT/WPU，X代表開始加入的GO的量。
圖2 相關結構與形貌表征
通過SEM表征可以看出四層WPU複合材料緊密結合在一起，界面處沒有發生斷裂等缺陷，這種優秀的界面粘結得益于水性聚氨酯WPU的優異成膜性能和粘附性能，并且部分MWCNT滲入[email protected]/WPU層，進一步加強了界面粘合。MWCNT網絡也賦予材料良好的導電性，實作優異的電磁屏蔽性能。
圖3 電-磁梯度測試
該複合體系的新型電-磁梯度設計值得關注，可以看出，通過調控GO和MWCNT的加入量可以調節材料的導電性，從上到下，電導率逐漸上升，磁化強度逐漸下降。
圖4 電磁屏蔽性能表征
研究人員對該材料進行了電磁屏蔽性能測試，[email protected](20-60-100)- 60MWCNT 樣品實作最優電磁屏蔽值35.9 dB，反射率僅0.27，吸收損耗占主導，可以看出這種電-磁梯度設計顯著提升了材料的電磁屏蔽性能，減少了反射，避免電磁波的二次污染。通過調節GO和MWCNT的含量。可以對電磁性能進行調控。
研究人員随後對電磁屏蔽機理進行了分析：由于材料阻抗比對較好，當電磁波進入材料時， 這種有着正電導率梯度和負磁導率梯度的吸波層産生較強的介電損耗和磁損耗，并且在界面處産生界面極化，電磁波進入導電反射層時将反射回吸收層，這部分電磁波将被再次吸收，此外，MWCNT和[email protected]産生的界面産生極化馳豫損耗，該材料由于介電損耗與磁損耗的協同作用，使其具有高電磁屏蔽值，這種新型梯度設計實作較低的反射率。
圖5 電磁屏蔽機理示意圖
四、研究小結
通過逐層澆鑄的方法制備出具有多層電-磁梯度的聚氨酯基電磁屏蔽複合材料，通過調節填料MWCNT和GO的含量可以有效調控電磁屏蔽特性，吸收層梯度的增加産生磁損耗、介電損耗，較低的反射率以及優異的電磁屏蔽性能，反射層屏蔽效能的提升促進了電磁波的再吸收和界面極化損耗作用，進一步提高了電磁屏蔽性能，降低反射率。[email protected]/MWCNT/WPU複合材料實作最優電磁屏蔽SE值35.9 dB，反射率僅為0.27，這種獨特的梯度結構設計為吸收為主導的高性能電磁屏蔽材料提供了借鑒。
五、全文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19304415
編譯：李嘉一
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