聊城大学战艳虎副教授团队和四川大学夏和生教授团队：在疏水型高效电磁屏蔽材料上取得新进展

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随着5G通讯时代的到来，无线通讯系统和高频电子器件的快速发展，导致电磁辐射污染日益严重。发展高效电磁屏蔽材料是解决该问题的最主要的途径。复合材料的电磁屏蔽性能与其导电率息息相关，而导电率取决于导电填料的种类和导电网络结构。具有超高导电率和长径比的银纳米线（AgNWs），更易形成导电网络，因此得到电磁屏蔽领域科研人员的青睐。目前，可以通过涂覆、喷涂、过滤等工艺在聚合物基材表面构建AgNWs导电网络。为了降低AgNWs之间的接触电阻，科研人员还开发了纳米焊接，热压，烧结等方法。根据电磁屏蔽机理，除了导电率外，磁导率也是影响材料电磁屏蔽性能的关键因素。然而，如何同时提高AgNWs导电网络的导电率和磁导率仍为一个难题。

近年来，聊城大学战艳虎副教授团队与四川大学夏和生教授团队合作，在柔性聚合物基电磁屏蔽材料的结构设计、高效化和功能化等方面取得突破性进展，已成功制备了具有磁性石墨烯隔离网络的橡胶屏蔽材料（Chem. Eng. J., 2018, 344,184-193）、多孔结构与CNT隔离网络并存的橡胶屏蔽材料（Nanoscale, 2019, 11, 1011-1020）、各向异性橡胶屏蔽材料（Nanoscale, 2020, 12, 7782–7791）、隔热型聚合物屏蔽材料（Chem. Eng. J., 2021, 417, 129339）等。近期，两课题组再次合作，在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题名为“Superhydrophobic and Flexible Silver Nanowire-Coated Cellulose Filter Papers with Sputter-Deposited Nickel Nanoparticles for Ultrahigh Electromagnetic Interference Shielding”文章。该文章提出一种通过磁控溅射镀镍工艺同时提升AgNWs导电网络的导电率和磁导率的方法，获得高效电磁屏蔽材料；再涂覆含氟涂层提高材料的接触角，赋予电磁屏蔽材料高疏水性（如图1所示）。

图1 疏水型高效电磁屏蔽材料的制备流程图

通过调控磁控溅射工艺参数，磁性的镍纳米颗粒（NiNPs）均匀负载在类似“鸟巢”结构的AgNWs网络，形成金属膜（如图2所示），使材料的导电率从1991.5 S/cm增加到3719.7 S/cm，饱和磁化强度也达到0.5 emu/g（如图3所示）。优异导电率和磁性的结合，赋予材料超高的电磁屏蔽性能。例如，当AgNWs含量为0.109 vol%、NiNPs负载量为0.013 mg/cm²时，该材料的电磁屏蔽效能到达88.4 dB，如4a所示。该材料的屏蔽效能超过已报道的银基屏蔽材料的屏蔽效能（如图4b和c所示）。

图2 CS₀N₃₀ (a, e)、CS₂₀N₀ (b, f)、CS₂₀N₃₀ (c, g)的SEM和元素分布图

图3 高效电磁屏蔽材料的导电率(a)和磁滞回线(b)

虽然上述材料具有优异的电磁屏蔽性能，但是仍面临如下问题：（1）滤纸基材的吸水性致使材料容易吸收空气中的水分；（2）金属原子（NiNPs和AgNWs）暴露在空气中易被氧化。上述两个问题均导致材料电磁屏蔽性能的降低。作者发现：含氟涂层不仅不会影响材料的电磁屏蔽性能，还可以显著提高材料的接触角（149.7°）；该材料被弯曲1500次后，电磁屏蔽性能基本不变（详细结果见图5d-g）。涂覆含氟涂层可有效的阻止了滤纸对水分或水蒸气吸附，也可以防止NiNPs和AgNWs的氧化，延长了使用寿命。

图4. 磁控溅射时间与涂覆次数对材料电磁屏蔽性能的影响(a)；该材料与已报道银基电磁屏蔽材料的性能对比(b, c)；高疏水电磁屏蔽材料的接触角(d)；含氟涂层对电磁屏蔽性能的影响(e)；弯曲1500次后，材料的电磁屏蔽性能(f)；该材料与已报道疏水型银基电磁屏蔽材料的性能对比(g)

论文的第一作者和通讯作者为聊城大学战艳虎副教授，共同通讯作者为四川大学夏和生教授。同时福州大学江献才副教授和贺州学院陈珍明副教授也对本工作做出贡献。本工作的开展获得国家自然基金国际合作项目、山东省自然基金的大力支持。

论文链接：

“Yanhu Zhan, Xuehui Hao, Licui Wang, Xiancai Jiang, Yu Cheng, Changzheng Wang, Yanyan Meng, Hesheng Xia, and Zhenming Chen, Superhydrophobic and Flexible Silver Nanowire-Coated Cellulose Filter Papers with Sputter-Deposited Nickel Nanoparticles for Ultrahigh Electromagnetic Interference Shielding. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, DOI:10.1021/acsami.1c03692”

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c03692

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