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      高屏蔽、低反射!具有可控電-磁梯度的聚氨酯基電磁屏蔽材料

      來源: 時間:2022-04-20 15:53:12 瀏覽次數:

      一、研究背景:隨著電子通訊行業的迅速發展,大量新興電子電器設備涌入人類的交通、通信、家用電器等生活中的每個角落,為人類的生活提供了極大的便利。但是,它們也會產生不同頻率的電磁輻射,給人們的生產生活帶來不便。隨著電子器件的全面普及、電子元器件的精密度和靈敏度越來越高,電磁輻射所帶來的危害也越來越嚴重,引發了一系列的環境問題和社會問題。電磁輻射的不利影響主要體現在電子元器件之間的電磁干擾、電磁信息泄露和電磁波對人體的危害。電磁屏蔽材料,是指放入某個區域中,通過對電磁波的反射和吸收來降低電磁波的透射,從而起到防輻射的作用的材料。目前大多數電磁屏蔽材料采用金屬、金屬納米線、石墨烯等,雖然實現了高屏蔽值,但大多數電磁波在材料表面被反射,造成二次污染,因此如何緩和低反射與高電磁屏蔽性能之間的矛盾,成為了研究者們探索的熱點問題。

      二、研究成果中北大學劉亞青、段宏基課題組報道了通過逐層澆鑄法制備的電-磁梯度可控多層水性聚氨酯基電磁屏蔽復合材料,使用納米填料為Fe3O4@rGO 和 MWCNT,構建的有序多層屏蔽網絡賦予聚氨酯復合材料正電導率梯度和負磁導率梯度,入射的電磁波歷經吸收-反射-再吸收”過程,以及界面極化損耗引起的吸收過程,以至于材料具有高的電磁屏蔽效能值和較低的反射率,當電磁屏蔽SE值達到35.9 dB時,反射率僅0.27,這項工作為下一代智能電子設備吸收主導的可控電磁屏蔽材料設計制備提供了新思路。相關工作以“Multilayer WPU conductive composites with controllable electro-magnetic gradient for absorption-dominated electromagnetic interference shielding”為題發表在復合材料領域著名TOP期刊 《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上。

      三、圖文速遞


      圖1 Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復合材料制備方法示意圖

      這種Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復合材料的制備方法是:首先采用水熱還原法制備Fe3O4@rGO分散液,經冷凍干燥后得到Fe3O4@rGO磁性復合材料,將其加入聚氨酯乳液中,超聲處理得到Fe3O4@rGO/WPU分散液。MWCNT/WPU分散液的制備方法是:首先用去離子水對聚氨酯乳液進行稀釋,再將MWCNT加入其中超聲攪拌即可。隨后采用逐層澆鑄法制備Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復合材料,從上到下依次為Fe3O4@rGO-X1/WPU、Fe3O4@rGO-X2/WPU、Fe3O4@rGO-X3/WPU、MWCNT/WPU,X代表開始加入的GO的量。


      圖2 相關結構與形貌表征

      通過SEM表征可以看出四層WPU復合材料緊密結合在一起,界面處沒有發生斷裂等缺陷,這種優秀的界面粘結得益于水性聚氨酯WPU的優異成膜性能和粘附性能,并且部分MWCNT滲入Fe3O4@rGO/WPU層,進一步加強了界面粘合。MWCNT網絡也賦予材料良好的導電性,實現優異的電磁屏蔽性能。


      圖3 電-磁梯度測試
      該復合體系的新型電-磁梯度設計值得關注,可以看出,通過調控GO和MWCNT的加入量可以調節材料的導電性,從上到下,電導率逐漸上升,磁化強度逐漸下降。


      圖4 電磁屏蔽性能表征

      研究人員對該材料進行了電磁屏蔽性能測試,Fe3O4@rGO(20-60-100)- 60MWCNT 樣品實現最優電磁屏蔽值35.9 dB,反射率僅0.27,吸收損耗占主導,可以看出這種電-磁梯度設計顯著提升了材料的電磁屏蔽性能,減少了反射,避免電磁波的二次污染。通過調節GO和MWCNT的含量??梢詫﹄姶判阅苓M行調控。研究人員隨后對電磁屏蔽機理進行了分析:由于材料阻抗匹配較好,當電磁波進入材料時, 這種有著正電導率梯度和負磁導率梯度的吸波層產生較強的介電損耗和磁損耗,并且在界面處產生界面極化,電磁波進入導電反射層時將反射回吸收層,這部分電磁波將被再次吸收,此外,MWCNT和Fe3O4@rGO產生的界面產生極化馳豫損耗,該材料由于介電損耗與磁損耗的協同作用,使其具有高電磁屏蔽值,這種新型梯度設計實現較低的反射率。


      圖5  電磁屏蔽機理示意圖

      四、研究小結通過逐層澆鑄的方法制備出具有多層電-磁梯度的聚氨酯基電磁屏蔽復合材料,通過調節填料MWCNT和GO的含量可以有效調控電磁屏蔽特性,吸收層梯度的增加產生磁損耗、介電損耗,較低的反射率以及優異的電磁屏蔽性能,反射層屏蔽效能的提升促進了電磁波的再吸收和界面極化損耗作用,進一步提高了電磁屏蔽性能,降低反射率。Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復合材料實現最優電磁屏蔽SE值35.9 dB,反射率僅為0.27,這種獨特的梯度結構設計為吸收為主導的高性能電磁屏蔽材料提供了借鑒。

      五、全文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19304415

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