隨著無(wú)線通訊技術(shù)的開(kāi)發(fā)，高效電磁屏蔽材料研究在各領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。由在高電導(dǎo)率屏蔽材料中，其表面阻抗不匹配的特性往往會(huì)導(dǎo)致極高的電磁波表面反射率，從而導(dǎo)致電磁波的二次污染。導(dǎo)電多孔/泡沫結(jié)構(gòu)，可以有效調(diào)整阻抗匹配，降低表面電磁波反射率，同時(shí)提高電磁波吸收能力。然而單層泡沫結(jié)構(gòu)要同時(shí)具備高效電磁波屏蔽效能和超低反射率仍具挑戰(zhàn)。因此構(gòu)建雙層泡沫(吸收)/薄膜(屏蔽)結(jié)構(gòu)體系，無(wú)疑是一種更為有效的策略。

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

本文亮點(diǎn)

1.?基于兩種PVDF的熔點(diǎn)差，通過(guò)熱壓與超臨界發(fā)泡，成功構(gòu)建了雙層多孔泡沫/薄膜高分子納米復(fù)合材料。

2.?通過(guò)靜電組裝法，構(gòu)建了SiC納米線和MXene納米片的異質(zhì)界面。

3.?通過(guò)調(diào)整填充比例和吸收層發(fā)泡倍率，納米復(fù)合材料提供了超低電磁波反射系數(shù)，同時(shí)具備了高效的電磁波屏蔽效能。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

多倫多大學(xué)Chul Park課題組基于PVDF和PVDF共聚物的熔點(diǎn)差，通過(guò)熱壓和超臨界二氧化碳物理發(fā)泡，從而獲得PVDF雙層泡沫/薄膜結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整，上層PVDF/SiCnw@MXene復(fù)合泡沫具備優(yōu)良的阻抗匹配和電磁波消耗能力，同時(shí)下層PVDF/MWCNT/GnPs薄膜提供高效的反射屏蔽效能，從而實(shí)現(xiàn)具備超低反射率的高效電磁波屏蔽材料。

雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料在1.95 mm的厚度下，在Ku波段(12.4-18.0 GHz) 上表現(xiàn)出32.6 dB的電磁波屏蔽效能和高達(dá)4 GHz (R<0.1)的低反射帶寬。峰值SER達(dá)到3.1×10?? dB，對(duì)應(yīng)電磁波反射率僅0.0022%。

圖文導(dǎo)讀

I?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料制備流程

首先將被PDDA水溶液處理后的SiC納米線與MXene (Ti?C?T?)納米片在DMF溶液中通過(guò)靜電組裝耦合，并加入PVDF在DMF中攪拌均勻，之后通過(guò)水相分離和熱壓獲得上層吸收層。然后將MWCNT，GNPs和PVDF加入DMF溶液攪拌均勻，之后通過(guò)水相分離和熱壓獲得下層反射層。將吸收層和反射層熱壓在一起后，居于兩種PVDF的晶體熔點(diǎn)差，通過(guò)超臨界發(fā)泡，可成功構(gòu)建雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料。制備過(guò)程如圖1所示。

圖1.?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料制備流程圖。

II?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征

制備的異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)與表征如圖2a, b所示：柔軟的MXene納米片包裹纏繞在SiC納米線周圍，有助于構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和提供電磁波環(huán)境中的界面極化作用。XRD圖證明了MXene和SiC存在于PVDF復(fù)合材料中。此外，如圖2c, f所示，在熱壓與超臨界發(fā)泡，SiCnw和MXene的異質(zhì)結(jié)面結(jié)構(gòu)仍然存在于PVDF泡沫中。

通過(guò)圖3a，SEM圖和Si素分布圖，證明了雙層泡沫/薄膜結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建。泡沫層與薄膜層之間有一層清晰的界面，Si元素分布在上層吸收層中。圖3b表明，超臨界發(fā)泡過(guò)程中，泡孔會(huì)在填料和高分子的界面生成，泡孔生長(zhǎng)后，SiC納米線分布在泡孔周圍。

圖2.?(a) SiC納米線與MXene納米片組裝SEM圖；(b) SiC納米線與MXene納米片組裝TEM圖；(c) PVDF/SiCnw@MXene泡沫SEM圖；(d) MXene XRD圖；(e) PVDF復(fù)合材料XRD圖；(f) 圖(c)紅圈部分的EDX圖。

圖3.?SEM圖和Si元素分布圖(a) 雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料(45%泡沫層空隙率)；(b) 上層泡沫層與不同的空隙率(0%，45%和65%)。

III?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料的電磁屏蔽性能

在雙層電磁波屏蔽材料中，上層吸波層應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浜蛢?yōu)異的電磁波衰減能力，下層反射層應(yīng)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的電磁波屏蔽能力。在此次工作中，下層反射層固定為0.4 mm的PVDF/10 wt% GnPs/10wt% MWCNTs復(fù)合材料(平均屏蔽效能33.49 dB)。

如圖4a-d所示單獨(dú)的SiC納米線(30 wt% SiCnw)作為吸波層填料，由于其自身局限性，顯示出了較差的吸波能力，在1.05 mm 的吸波層厚度下僅展現(xiàn)出2.1 GHz (R<0.1)的低反射帶寬，峰值SER僅達(dá)到0.29?dB。當(dāng)引入超臨界發(fā)泡后，如圖4e-h，在45%的空隙率下，通過(guò)泡孔調(diào)整阻抗匹配，并通過(guò)電磁波在泡孔內(nèi)反射和衍射，材料的吸波能力的有了明顯提升，在1.9 mm的吸波層厚度下展現(xiàn)出2.5 GHz (R<0.1)的低反射帶寬，峰值SER達(dá)到了0.03?dB。然而當(dāng)空隙率從45%增加到55%以后，如圖4i-l，過(guò)大的空隙率降低了吸收層的電磁波吸收能力。

如圖5，通過(guò)引入MXene，SiC納米線和MXene納米片(30 wt% SiCnw@MXene 7:1)作為吸波層填料，顯示出了顯著增加的吸波能力。如圖5a-d所示，在45%的空隙率下，吸波層在1.45 mm的厚度下，展現(xiàn)出了3.1 GHz的低反射帶寬，峰值達(dá)到了。當(dāng)空隙率從45%增加到65%，展現(xiàn)出了4.0 GHz的低反射帶寬，且峰值SER達(dá)到了3.1×10?? dB?(圖5i-l)。

圖4.?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料(30 wt% SiCnw)的電磁屏蔽性能：(a) 反射效能SER；(b) 反射系數(shù)R；(c) 平均反射效能和屏蔽效能；(d) 低反射帶寬和SER峰值。空隙率的變化(a-d) VF：0%；(e-h) VF：45%；(i-h) VF:55%。

圖5.?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料(30 wt% SiCnw@MXene 7:1)的電磁屏蔽性能：(a) 反射效能SER；(b) 反射系數(shù)R；(c) 平均反射效能和屏蔽效能；(d) 低反射帶寬和SER峰值?？障堵实淖兓?a-d) VF：45%；(e-h) VF：55%；(i-h) VF：65%。

IV?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理

一般來(lái)說(shuō)，雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料通過(guò)(i)調(diào)控泡沫吸波層的表面阻抗匹配，增加過(guò)電磁波在泡孔內(nèi)反射和衍射，(ii)吸收層中SiCnw@MXene的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，透過(guò)介電損耗(界面極化損耗，導(dǎo)電損耗，和偶極極化損耗)，帶來(lái)的優(yōu)異的電磁波衰減能力，(iii)具有優(yōu)異導(dǎo)電性和高效電磁屏蔽效能的反射層，以及(iv)通過(guò)調(diào)控吸收層厚度，觸發(fā)四分之一波段相消，從而實(shí)現(xiàn)高效的電磁屏蔽能力和超低反射率。圖6為雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理示意圖。

圖6.?雙層泡沫/薄膜PVDF納米復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理示意圖。

作者簡(jiǎn)介

Chul Park

本文通訊作者

多倫多大學(xué) 教授

▍主要研究領(lǐng)域

超臨界二氧化碳塑料發(fā)泡，多功能石墨烯/塑料納米復(fù)合材料。

▍主要研究成果

Chul Park是加拿大多倫多大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程系杰出教授，加拿大兩院院士，中國(guó)工程院外籍院士，加拿大先進(jìn)聚合物加工技術(shù)及微孔塑料制造技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域首席科學(xué)家。由于其卓越貢獻(xiàn)，Park教授先后獲得聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署、塑料工程師協(xié)會(huì)、聚合物加工協(xié)會(huì)等重要獎(jiǎng)項(xiàng)58項(xiàng)。發(fā)表SCI文章791篇，他引21711次，h指數(shù)78，獲授權(quán)發(fā)明專利32項(xiàng)，發(fā)表著作4部。擔(dān)任國(guó)際會(huì)議大會(huì)主席24次，做大會(huì)報(bào)告和主題報(bào)告120余次。

▍Email:?park@mie.utoronto.ca

Li Ma

本文第一作者

多倫多大學(xué) 博士研究生

▍主要研究領(lǐng)域

導(dǎo)電高分子泡沫，電磁波屏蔽材料，電磁波吸收材料。

▍主要研究成果

在Carbon等期刊發(fā)表SCI論文5篇。

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