隨著5G移動通訊等先進通訊技術的迅猛發展，電磁波輻射污染問題日益凸顯，尋求輕質、高效、安全的新型電磁屏蔽材料已成為下一代高功率電子設備獲得安全可靠電磁防護最為緊迫的需求。導電聚合物復合材料（Conductive Polymer Composites，CPCs）以輕質柔性、易于成型、電磁性能可調等優勢在電磁屏蔽材料領域得到迅速的發展和應用。但當前基于阻抗不匹配策略設計的超高效CPCs電磁屏蔽材料具有強烈的電磁波反射特征，在使用過程中會產生嚴重的電磁波二次污染，難以滿足智能電子設備安全、綠色的電磁防護要求。開發具有低電磁波反射特征的超高效CPCs屏蔽材料已逐漸成為研究關注的焦點。然而，基于宏觀均勻的導電網絡結構設計造成CPCs恒定難調的電導率，恒定電導率下固定的阻抗匹配特性必然導致高屏蔽效能與低電磁波反射特征之間無法調和的矛盾，難以從根本上獲得以吸收機制為主導的超高效CPCs電磁屏蔽材料。
針對上述難題，中北大學段宏基、楊雅琦副教授課題組在近期提出對CPCs進行非對稱導電網絡設計的研究新思路，通過泡孔結構中非對稱導電網絡的構筑實現了超高效CPCs電磁屏蔽材料極低的電磁波反射特征。該研究成果近日以“Asymmetric Conductive Polymer Composite Foam for Absorption Dominated Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding with Extremely Low Reflection Characteristics”為題發表在《Journal of Materials Chemistry A》雜志上。(DOI: 10.1039/D0TA01393E)
圖1利用密度誘導填料有序分離在WPU復合泡沫中構筑非對稱導電網絡的過程示意圖
為獲得真正以吸收機制為主導的CPCs電磁屏蔽材料，課題組在前期低反射特征CPCs電磁屏蔽材料研究工作的基礎上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10: 19143; Appl. Surf. Sci. 2019, 469: 1; Composites Part A 2020, 129: 105692; Composites Part B 2020, 184: 107745），提出在泡孔結構中構筑非對稱導電網絡的設計新策略，將取向冷凍干燥技術與密度誘導填料分離的控制方法相結合，以取向冷凍過程中不同密度填料粒子對冰晶生長驅動力的響應差異作為非對稱導電網絡的結構控制手段，在水性聚氨酯（WPU）的取向泡孔結構中自下而上依次構筑了從石墨烯負載四氧化三鐵（rGO@Fe3O4）強磁性弱導電網絡（磁滯損耗層）向鍍銀膨脹微球（EBAg）強導電網絡（反射屏蔽層）過渡的非對稱導電網絡，從而實現了對WPU電磁屏蔽性能與反射特征的有效調控。
圖2 WPU低反射特征電磁屏蔽復合泡沫的屏蔽機理(a)及屏蔽性能(b)
得益于非對稱導電網絡的結構特性及其磁滯損耗層和反射屏蔽層的合理設計，電磁波在入射磁滯損耗層時由于rGO@Fe3O4強磁性弱導電網絡良好的阻抗匹配特性幾乎不發生反射，而在進入復合泡沫內部后由于EBAg強導電網絡的反射作用將經歷特殊的“吸收-反射-再吸收”過程。在此過程中，借助泡孔結構的多重界面反射吸收機制與磁滯損耗的耦合作用，電磁波的透過和逸出均得到了有效抑制，從而使材料在獲得超高效電磁屏蔽性能的同時能夠實現極低的電磁波反射特征。具有非對稱導電網絡結構的WPU復合泡沫在X波段的平均電磁屏蔽效能高達84.8 dB，其中吸收效能高達84.5 dB，同時電磁波反射系數（R）低至0.08，是目前報道的高效電磁屏蔽材料的最低R值。同時，填料網絡的非對稱結構設計也賦予了復合泡沫良好的耐水屏蔽穩定性和優異的循環壓縮回彈性。該工作為低反射特征高效電磁屏蔽復合材料的研究提供了新的思路。
圖3 WPU低反射特征電磁屏蔽復合泡沫的耐水屏蔽性能(a,b)和循環壓縮性能(c,d)
論文第一作者為段宏基副教授，通訊作者為楊雅琦副教授，劉亞青教授為共同通訊作者。研究工作得到四川大學李忠明教授、鄢定祥研究員、鄭州大學代坤教授、揚州大學高杰峰教授的支持和幫助，該研究工作得到國家自然科學基金和山西省基礎研究項目的支持。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/TA/D0TA01393E
