西安工程大学《CEJ》: 磁性多孔碳纤维/聚酰亚胺电磁屏蔽复合膜
近年来，电磁屏蔽材料正朝着轻质、超薄、高效能、低反射等方向发展。同时，微电子、通讯、军事等尖端技术领域对电磁屏蔽材料也提出了更高的要求，尤其是集高压、变频、计算机控制、网络通信于一体的大型复杂系统，各种强弱电信号交织在有限的空间内，电磁环境恶劣，会对系统内外部的人员安全以及通信设备、信号设备、音视频设备等弱电设备造成影响。而以反射为主的良导体屏蔽材料，如金属箔片、金属板材、金属纤维和金属涂层等由于阻抗不匹配会产生电磁波的二次反射，已不能满足一些特殊复杂电磁系统与装备的设计要求。所以，设计开发轻薄、高效能同时兼具低反射特性的电磁屏蔽材料已成为一项重要挑战。
基于上述背景，并在前期多孔泡沫和纤维基电磁屏蔽材料研究的基础上（Carbon, 2020, 158: 45-54.; Composites Part B, 2020, 190: 107935.; Composites Part A, 2021, 140: 106144.），西安工程大学的李建伟和西北工业大学的马忠雷等研究人员通过在碳纤维表面生长金属氧化物纳米阵列，并碳化热解得到了磁性金属纳米粒子负载的多孔碳纤维，再经过抽滤和聚酰亚胺树脂（PI）封装得到柔性电磁屏蔽膜材料，所设计的柔性膜材料表现出优异的电磁屏蔽效能以及低反射特征。该研究成果近日以“Multifunctional carbon fiber@NiCo/polyimide films with outstanding electromagnetic interference shielding performance”为题发表在《Chemical Engineering Journal》杂志上。
图1. 磁性多孔碳纤维复合膜材料的制备过程示意图
利用水热反应，在短切碳纤维表面可以生长出NiCo2O4纳米阵列，其在碳化热解过程中会与碳纤维基体发生原位碳热还原反应，NiCo2O4纳米阵列被还原并熔融转变为NiCo纳米粒子。另外，碳热还原过程会逐渐消耗碳基体，随着反应的进行，NiCo纳米粒子逐渐生成并嵌入到碳纤维基体中，同时在碳纤维表面产生大量的孔洞结构，从而得到具有磁性和多孔结构的复合短切碳纤维（CF@NiCo）。将CF@NiCo超声搅拌分散于溶剂中，随后经过抽滤并用聚酰胺酸树脂进行灌封，干燥、热压之后便可以得到CF@NiCo/PI复合膜材料。通过调节复合短切碳纤维的添加量得到了不同厚度（0.1~1.0 mm）的电磁屏蔽膜材料。制备的复合短切碳纤维CF@NiCo和复合膜材料CF@NiCo/PI的形貌和结构如图2、图3、图5所示。
图2. （a）纯短切碳纤维CF的形貌；（b，c）CF@NiCo2O4的形貌；（d-j）磁性短切碳纤维CF@NiCo的形貌和结构
图3. CF/PI、CF@NiCo2O4/PI和CF@NiCo/PI三种复合膜的力学性能、柔韧性、宏观/微观形貌
得益于NiCo磁性纳米粒子的磁损耗作用、短切碳纤维的导电和介电损耗作用、三维网络和多孔结构产生的多重反射作用，所制备的CF@NiCo/PI复合膜材料表现出优异的电磁屏蔽效能。其中在X波段（8.2 ~ 12.4 GHz），200 μm厚的CF@NiCo/PI复合膜的电磁屏蔽效能便可以达到40 dB。随着厚度的增加，1.0 mm厚度的CF@NiCo/PI复合膜的屏蔽效能值则高达87 dB，而其吸收效能SEA为81 dB，反射效能SER仅有6 dB。另外，其吸收系数A和反射系数R分别约为0.3和0.7，虽然还不是吸收为主导的电磁屏蔽材料，但可以发现，相比于CF/PI 复合膜, CF@NiCo2O4/PI和CF@Ni/PI复合膜的吸收系数A值逐渐升高，反射系数R值则随之逐渐下降（图4、图5）。该工作此将为低反射或吸收型电磁屏蔽复合材料的设计和开发提供思路和参考。
图4. 不同厚度CF/PI、CF@NiCo2O4/PI和CF@NiCo/PI复合膜的电磁屏蔽特性对比
图5. CF@NiCo/PI复合膜的电磁屏蔽机制分析
论文的第一作者为西安工程大学材料工程学院的青年教师李建伟，通讯作者为李建伟和西北工业大学化学与化工学院的马忠雷副教授。本研究工作主要得到了国家先进功能纤维创新中心-科研攻关项目、陕西省教育厅自然科学基金、西安工程大学研究生创新基金等项目的资助和支持。
论文信息：
Jianwei Li, Xuanning Zhang, et al. Multifunctional carbon fiber@NiCo/polyimide films with outstanding electromagnetic interference shielding performance. Chemical Engineering Journal, 2021, DIO: 10.1016/j.cej.2021.131937.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131937
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