Adv. Mater.：具有超高电磁屏蔽性能的高交联金属包裹聚合物纳米纤维多孔状薄膜

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近日，瑞士联邦理工学院联邦材料科学研究所（EMPA）曾志辉（Zhihui Zeng）博士研究员团队（通讯作者为Jing Wang教授及Gustav Nyström博士）设计了一种金属包裹的聚合物纳米纤维多孔膜状结构，这种薄膜厚度只有数微米，却有着优异的电磁屏蔽性能：所制备材料的厚度低达1.2μm，兼具有优秀的屏蔽效能（SE）, 归一化后的比屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)能达到232860 dB·cm²·g^-1，远高于现有报道的自支撑的屏蔽材料。材料的厚度为2.5μm时SE能达到60 dB，弯折1000次后SE的影响较小，具有优秀的柔性。同时这种材料密度仅1.6 g·cm^-3，还具有抗菌、防水、透气及在低电压（1V）下产生良好的自加热效果，是一种很有应用前景的多功能性超高效电磁屏蔽材料。

随着现代化电子工业的快速发展，电磁干扰（EMI）或辐射能够影响电子器件本身的正常工作状态或给生物体的健康带来潜在的威胁，制备具有高EMI 屏蔽性能的电磁屏蔽材料迫为紧需。特别是随着智慧照明和可穿戴设备的发展，迫切需要尺寸小、重量轻、柔韧性好、疏水性强、EMI屏蔽性能好的材料。基于纳米材料（碳纳米材料、MXene或金属纳米材料）优异的力、电性能及所具有的小尺寸大比表面积特征，有效的设计纳米结构的宏观构筑体，使其具有优秀的EMI屏蔽性能获得了大量的关注。此外，在自支撑的EMI屏蔽材料中引入多孔状结构，通过增加入射电磁波的在屏蔽材料内的反射次数(多重反射)可以有效提高屏蔽效能（SE），这种做法越来越受到人们的青睐。然而目前虽然多孔结构的EMI屏蔽材料电磁屏蔽性能优异，但其厚度达到了毫米甚至厘米级，而且机械性能差，柔韧性不足，严重阻碍了实际应用。

本文研究人员基于以上现状，结合静电纺丝设备与化学镀层，成功的制备出一种具有多孔结构的高导电性能的薄膜材料，用于电磁屏蔽性能。所使用的金属纳米纤维包括铜及银纳米纤维，所使用的聚合物包括尼龙纳米纤维及PVDF微米纤维。其中，金属包裹前后，尼龙纳米纤维的平均直径分别为84 nm和86 nm，金属包裹的纤维结构对于薄膜的高电导性以及高EMI性能至关重要。薄膜的多孔结构，以及金属和聚合物纤维之间的牢固结合，使得薄膜具有很高的抗机械变形能力和出色的可弯曲性。经过1000次弯曲后，薄膜电导率没有变化，说明金属层与尼龙纳米纤维的粘合非常牢固。薄膜的温度分布非常均匀，4×4 cm²的薄膜在1V的低压下温度可以达到30℃，非常适合用作户外使用的柔性可穿戴电加热器设备。包裹金属后，薄膜接触角从30°增加到110°，将亲水膜转变为疏水膜的同时还具有优秀的抗菌性能和透气性。

图1. 高交联的金属包裹纤维多孔膜。（a-c）微观结构图，（d）数码图片，（e-f）自加热效果，金属包裹前后（g-h）水接触角及(i-j)抗菌效果（绿点对应活细菌，红点对应死细菌）。

图2. 高交联的金属包裹纤维多孔膜的EMI屏蔽性能。（a-c）X波段中的不同铜镀层时间导致的X波段EMI屏蔽性能及电导率和密度，（d）X波段不同厚度薄膜的EMI屏蔽性能；（e）屏蔽机理示意图，（f）不同厚度下实际测试与理论计算的屏蔽性能比较，（g）在超宽频率范围内薄膜的EMI性能，以及1000次弯曲前后薄膜在X波段的EMI性能；（h）5.0和2.5μm厚的银包裹微孔膜的EMI性能；（i）不同厚度的铜包裹PVDF微孔膜的EMI性能。

图3.金属包裹多孔膜的EMI性能比较。（a）不同密度下材料SE/d的性能，（b）不同厚度下材料SSE性能。

瑞士联邦理工学院联邦材料科学研究所曾志辉博士团队，通讯作者为Jing Wang教授及Gustav Nyström博士，设计出一种质量轻、柔韧性好、超薄的金属包裹纳米纤维多孔状薄膜，用于高效的EMI屏蔽材料。这种自支撑的材料厚度可达到1.2 μm，电导率达到7870 S·cm^-1，SE更是高达60dB，远远超出了业界要求的20 dB，而密度仅为1.6 g·cm^-3。经过1000次弯曲后，电导率及屏蔽性能影响较小，表现出优异的柔韧性和性能保持率。这种薄膜不仅EMI屏蔽性能优异，还具有抗菌、防水、透气及低电压下自加热等多重功能特性，在智能及可穿戴设备中有广泛应用。

论文链接：

Zhihui Zeng, Fuze Jiang, Yang Yue, Daxin Han, Luchan Lin, Shanyu Zhao, Yi-Bo Zhao, Zhengyuan Pan, Congju Li, Gustav Nyström,* and Jing Wang,*;  Flexible and Ultrathin Waterproof Cellular Membranes Based on High-Conjunction Metal-Wrapped Polymer Nanofibers for Electromagnetic Interference Shielding, Advanced Materials, 2020, 1908496.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908496

作者介绍：

近年来，瑞士联邦理工学院联邦材料研究所曾志辉博士在多孔结构的电磁屏蔽材料的设计、制备、构筑及应用领域的研究不断取得新的进展。通过探索对不同导电纳米材料及高分子聚合物的制备工艺，开发了一系列多孔结构的电磁屏蔽材料，为该领域的研究提供了许多参考。这些相关的研究工作发表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, ACS AMI, Carbon等著名国际前沿期刊，SCI论文引用900余次。

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