多伦多大学Park教授：高效能电磁波屏蔽材料-双层泡沫/薄膜高分子纳米复合材料

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随着无线通讯技术的开发，高效电磁屏蔽材料研究在各领域得到了广泛的关注。由在高电导率屏蔽材料中，其表面阻抗不匹配的特性往往会导致极高的电磁波表面反射率，从而导致电磁波的二次污染。导电多孔/泡沫结构，可以有效调整阻抗匹配，降低表面电磁波反射率，同时提高电磁波吸收能力。然而单层泡沫结构要同时具备高效电磁波屏蔽效能和超低反射率仍具挑战。因此构建双层泡沫(吸收)/薄膜(屏蔽)结构体系，无疑是一种更为有效的策略。

Layered Foam/Film Polymer Nanocomposites with Highly Efficient EMI Shielding Properties and Ultralow Reflection

Li Ma, Mahdi Hamidinejad, Biao Zhao*, Caiyun Liang, Chul B. Park*

Nano-Micro Letters (2022)14: 19

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00759-4

本文亮点

1. 基于两种PVDF的熔点差，通过热压与超临界发泡，成功构建了双层多孔泡沫/薄膜高分子纳米复合材料。

2. 通过静电组装法，构建了SiC纳米线和MXene纳米片的异质界面。

3. 通过调整填充比例和吸收层发泡倍率，纳米复合材料提供了超低电磁波反射系数，同时具备了高效的电磁波屏蔽效能。

内容简介

多伦多大学Chul Park课题组基于PVDF和PVDF共聚物的熔点差，通过热压和超临界二氧化碳物理发泡，从而获得PVDF双层泡沫/薄膜结构。通过调整，上层PVDF/SiCnw@MXene复合泡沫具备优良的阻抗匹配和电磁波消耗能力，同时下层PVDF/MWCNT/GnPs薄膜提供高效的反射屏蔽效能，从而实现具备超低反射率的高效电磁波屏蔽材料。

双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料在1.95 mm的厚度下，在Ku波段(12.4-18.0 GHz) 上表现出32.6 dB的电磁波屏蔽效能和高达4 GHz (R<0.1)的低反射带宽。峰值SE_R达到3.1×10⁻⁴ dB，对应电磁波反射率仅0.0022%。

图文导读

I 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料制备流程

首先将被PDDA水溶液处理后的SiC纳米线与MXene (Ti₃C₂Tₓ)纳米片在DMF溶液中通过静电组装耦合，并加入PVDF在DMF中搅拌均匀，之后通过水相分离和热压获得上层吸收层。然后将MWCNT，GNPs和PVDF加入DMF溶液搅拌均匀，之后通过水相分离和热压获得下层反射层。将吸收层和反射层热压在一起后，居于两种PVDF的晶体熔点差，通过超临界发泡，可成功构建双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料。制备过程如图1所示。

图1. 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料制备流程图。II 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料的结构表征

制备的异质界面结构与表征如图2a, b所示：柔软的MXene纳米片包裹缠绕在SiC纳米线周围，有助于构建导电网络和提供电磁波环境中的界面极化作用。XRD图证明了MXene和SiC存在于PVDF复合材料中。此外，如图2c, f所示，在热压与超临界发泡，SiCnw和MXene的异质结面结构仍然存在于PVDF泡沫中。

通过图3a，SEM图和Si素分布图，证明了双层泡沫/薄膜结构的成功构建。泡沫层与薄膜层之间有一层清晰的界面，Si元素分布在上层吸收层中。图3b表明，超临界发泡过程中，泡孔会在填料和高分子的界面生成，泡孔生长后，SiC纳米线分布在泡孔周围。

图2. (a) SiC纳米线与MXene纳米片组装SEM图；(b) SiC纳米线与MXene纳米片组装TEM图；(c) PVDF/SiCnw@MXene泡沫SEM图；(d) MXene XRD图；(e) PVDF复合材料XRD图；(f) 图(c)红圈部分的EDX图。图3. SEM图和Si元素分布图(a) 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料(45%泡沫层空隙率)；(b) 上层泡沫层与不同的空隙率(0%，45%和65%)。

III 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料的电磁屏蔽性能

在双层电磁波屏蔽材料中，上层吸波层应具有适当的阻抗匹配和优异的电磁波衰减能力，下层反射层应具有优异的导电性和良好的电磁波屏蔽能力。在此次工作中，下层反射层固定为0.4 mm的PVDF/10 wt% GnPs/10wt% MWCNTs复合材料(平均屏蔽效能33.49 dB)。

如图4a-d所示单独的SiC纳米线(30 wt% SiCnw)作为吸波层填料，由于其自身局限性，显示出了较差的吸波能力，在1.05 mm 的吸波层厚度下仅展现出2.1 GHz (R<0.1)的低反射带宽，峰值SE_R仅达到0.29 dB。当引入超临界发泡后，如图4e-h，在45%的空隙率下，通过泡孔调整阻抗匹配，并通过电磁波在泡孔内反射和衍射，材料的吸波能力的有了明显提升，在1.9 mm的吸波层厚度下展现出2.5 GHz (R<0.1)的低反射带宽，峰值SE_R达到了0.03 dB。然而当空隙率从45%增加到55%以后，如图4i-l，过大的空隙率降低了吸收层的电磁波吸收能力。

如图5，通过引入MXene，SiC纳米线和MXene纳米片(30 wt% SiCnw@MXene 7:1)作为吸波层填料，显示出了显著增加的吸波能力。如图5a-d所示，在45%的空隙率下，吸波层在1.45 mm的厚度下，展现出了3.1 GHz的低反射带宽，峰值达到了。当空隙率从45%增加到65%，展现出了4.0 GHz的低反射带宽，且峰值SE_R达到了3.1×10⁻⁴ dB (图5i-l)。

图4. 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料(30 wt% SiCnw)的电磁屏蔽性能：(a) 反射效能SE_R；(b) 反射系数R；(c) 平均反射效能和屏蔽效能；(d) 低反射带宽和SE_R峰值。空隙率的变化(a-d) VF：0%；(e-h) VF：45%；(i-h) VF:55%。

图5. 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料(30 wt% SiCnw@MXene 7:1)的电磁屏蔽性能：(a) 反射效能SE_R；(b) 反射系数R；(c) 平均反射效能和屏蔽效能；(d) 低反射带宽和SE_R峰值。空隙率的变化(a-d) VF：45%；(e-h) VF：55%；(i-h) VF：65%。

IV 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料的电磁屏蔽机理

一般来说，双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料通过(i)调控泡沫吸波层的表面阻抗匹配，增加过电磁波在泡孔内反射和衍射，(ii)吸收层中SiCnw@MXene的异质结构，透过介电损耗(界面极化损耗，导电损耗，和偶极极化损耗)，带来的优异的电磁波衰减能力，(iii)具有优异导电性和高效电磁屏蔽效能的反射层，以及(iv)通过调控吸收层厚度，触发四分之一波段相消，从而实现高效的电磁屏蔽能力和超低反射率。图6为双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料的电磁屏蔽机理示意图。

图6. 双层泡沫/薄膜PVDF纳米复合材料的电磁屏蔽机理示意图。

作者简介

Chul Park

本文通讯作者

多伦多大学 教授▍主要研究领域

超临界二氧化碳塑料发泡，多功能石墨烯/塑料纳米复合材料。

▍主要研究成果

Chul Park是加拿大多伦多大学机械与工业工程系杰出教授，加拿大两院院士，中国工程院外籍院士，加拿大先进聚合物加工技术及微孔塑料制造技术及应用领域首席科学家。由于其卓越贡献，Park教授先后获得联合国开发计划署、塑料工程师协会、聚合物加工协会等重要奖项58项。发表SCI文章791篇，他引21711次，h指数78，获授权发明专利32项，发表著作4部。担任国际会议大会主席24次，做大会报告和主题报告120余次。

▍Email: [e-mail]

Li Ma

本文第一作者

多伦多大学 博士研究生▍主要研究领域

导电高分子泡沫，电磁波屏蔽材料，电磁波吸收材料。

▍主要研究成果

在Carbon等期刊发表SCI论文5篇。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2020JCR影响因子达16.419，学科排名Q1区前10%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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