浙大郑强教授、贵大谢兰教授/薛白《Nano-Micro Letters》：基于阶梯式不对称导电网络的定向电磁干扰屏蔽
随着新兴的5G无线系统为代表的电子设备和现代电信技术的出现与发展，开发高性能电磁屏蔽材料以减少电磁波污染十分必要。传统上，金属基材料因其高导电性或磁导率而被广泛用于电磁屏蔽材料，但其固有的高密度、易腐蚀、不可挠性和难加工等使其在智能和微电子产品领域应用受限。因此，开发具有良好力学性能的新型轻质柔性电磁屏蔽材料具有重要意义。近年来，由聚合物基体和导电填料组成的导电聚合物复合材料以其重量轻、成本低、柔韧性好、易于加工、耐腐蚀等优点，引起了广泛的关注。本文采用简单的溶液封装方法制备了具有阶梯式不对称结构的Ni@MF/CNT/PBAT复合材料。复合材料表现出前所未有的定向电磁屏蔽效能(ΔSET=8.8 dB)，并通过遥控玩具车系统的实际应用测试得到进一步验证。研究成果发表在《Nano-Micro Letters》上。(Bai Xue, Yi Li, Ziling Cheng, Shengdu Yang, Lan Xie*, Shuhao Qin, Qiang Zheng*. Nano-Micro Letters,14, 16 (2022), IF=16.419)。
图1. （a）阶梯式非对称Ni@MF/CNT/PBAT复合材料制备过程示意图；（b）CNT薄膜的SEM图；（c）MF的SEM图；（d，e）不同放大倍数下Ni@MF-5的SEM图；（f，g）Ni@MF-5的SEM图及Ni元素EDS图；（h）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT中CNT-75/PBAT下层的SEM图；（i）Ni@MF-5/PBAT上层的SEM图；（j-m）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的SEM图与C，N，Ni元素EDS图。
阶梯式不对称结构的Ni@MF/CNT/PBAT复合材料制备过程包括真空辅助自组装法制备碳纳米管薄膜，表面化学镀镍法制备镀镍三聚氰胺泡沫以及在PBAT-二氯甲烷溶液中集中封装Ni@MF和CNT。如图1所示，CNT层具有沿面内方向排列良好的片层微结构，形成紧密相连的导电网络；光滑的MF骨架经化学镀镍过后表面附着致密的金属镍层而变得粗糙；并且Ni@MF层和CNT层通过PBAT封装后紧密连接在一起，形成了非对称的梯度结构。
图2. （a）实验1：Ni@MF层为电磁波入射面的示意图；（b）实验2：，CNT层为电磁波入射面的示意图。（c-e）实验1中不同镀镍时间的Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料在X波段的EMI SET、SER和R系数。（f-h）实验2中不同镀镍时间的Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料在X波段的EMI SET、SER和R系数。
图3. （a）不同电磁波入射面的不同镀镍时间的Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料的平均SET；（b）Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料以不同电磁波入射面时的ΔSET和SET增强；（c-d）Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料以不同电磁波入射面时的平均SEA和A系数；（e，f）阶梯式非对称Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料的定向电磁屏蔽机理示意图。
由于Ni@MF/CNT/PBAT复合材料具有独特的阶梯式非对称结构赋予了该材料特殊的定向电磁屏蔽性能。实验“1”和“2”表明电磁波分别从Ni@MF层和CNT层入射(图2a，b)。尽管不同的入射方向，所有复合材料的EMI SET在X波段呈现较弱的频率依赖性；此外，EMI SET随着电镀时间的增加而显著增加（图2c，f）。当Ni@MF为电磁波入射面时，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET的38.3 dB，当CNT为电磁波入射面时，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET仅为29.5 dB，ΔSET为8.8 dB（图3a）。结果表明，当电磁波从Ni@MF层射入时，Ni@MF/CNT/PBAT复合材料的电磁屏蔽性能优于CNT层为电磁波入射面时的电磁屏蔽性能，即Ni@MF/CNT/PBAT复合材料具有独特的定向电磁屏蔽性能。
图4. （a，b）纯PBAT和不同镀镍时间的Ni@MF/CNT-75/PBAT复合材料的应力-应变曲线和相应的拉伸强度和韧性；（c-e）遥控玩具车系统中的实际定向电磁屏蔽应用测量：信号发射器分别面对（c）无屏蔽材料、（d）Ni@MF层和（e）CNT层。
为了直观地说明阶梯式非对称结构的Ni@MF/CNT/PBAT复合材料的新型定向电磁屏蔽性能，使用由电机模块、指示器模块、发射器模块和接收器模块组成的遥控玩具车系统进行了实际应用测试(图4c-e)。当信号发射器面对Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的Ni@MF层时，即电磁波从Ni@MF层入射到复合材料中时，指示灯熄灭，电机停止运行(图4d)。这是由于Ni@MF-5/CNT-75/PBAT能有效地阻挡从Ni@MF层入射的信号微波。然而，通过翻转Ni@MF-5/CNT-75/PBAT后，即信号波从CNT层入射，指示灯再次亮起，电机再次运行（图4e）。这一有趣的现象为设计可用于定向电磁屏蔽领域的阶梯式非对称屏蔽复合材料提供了一种新的策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00743-y
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