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  隨著電子設備和5G通訊技術的迅速發展，電磁環境日益復雜，所帶來的信號干擾等問題嚴重影響電子設備的正常運行。通過電磁屏蔽材料阻隔電磁波之間的干擾是解決該問題的有效手段。傳統電磁屏蔽材料往往通過提高材料導電性以實現其電磁屏蔽效能的提升，但電導率的提升會加劇屏蔽材料對電磁波的反射，進一步復雜電磁環境并顯著影響受保護電子設備的工作精度與穩定性。因此，開發兼具優異吸波特性的超高效電磁屏蔽材料成為消除電磁波干擾的理想解決方案。然而，當前吸波材料與電磁屏蔽材料的設計原理存在巨大差異，在復合材料中實現超高效電磁屏蔽性能與寬頻吸波特性的集成依然是極大的挑戰。

  為此，中北大學段宏基副教授課題組聯合中科院深圳先進技術研究院孫蓉、胡友根團隊，在前期低反射特征電磁屏蔽復合材料的梯度導電網絡設計（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10: 19143）、層狀結構電磁梯度控制（Composites Part A 2020, 129: 105692）和非對稱導電網絡設計（J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 9146）工作基礎上，提出了一種基于漸進導電模塊化設計（progressive conductivity modular design）的全新策略，首次在多級結構復合泡沫材料中實現了超高效電磁屏蔽性能與寬頻吸波特性的統一，從而為發展智能電磁響應材料提供了嶄新的思路。

圖1 多級復合泡沫的漸進導電模塊化設計組裝及其對電磁波的吸收衰減機理

  研究團隊在定向冷凍真空干燥的基礎上，通過漸進導電模塊化設計策略，組裝搭建了具有多級取向泡孔結構的還原氧化石墨烯@四氧化三鐵/碳納米管/四針狀氧化鋅晶須@銀/水性聚氨酯（rGO@Fe₃O₄/CNT/T-ZnO@Ag/WPU）復合泡沫。取向泡孔結構在降低材料密度的同時有效降低了材料的真實介電性能，改善了材料與電磁波間的阻抗匹配；磁-電漸進式梯度設計則能夠賦予材料沿電磁波入射方向上正向的導電梯度，從而控制表面電阻匹配入射電磁波阻抗使其幾乎不發生反射；并能夠通過電介質損耗與磁滯損耗匹配機制誘導入射電磁波在深度方向逐步衰減，借助泡孔結構的多重界面反射吸收機制與梯度增強的電介質損耗作用相耦合有效抑制電磁波的逸出，最終實現超高效屏蔽材料對電磁波的高效吸收。

圖2 多級復合泡沫的在X至Ku波段的電磁屏蔽性能、吸收反射特征及屏蔽機理

  得益于漸進導電模塊化設計與取向泡孔結構的有效結合，所制備的多級復合泡沫能夠實現電磁波吸收、反射特性的任意調節，從而表現出極高的電磁屏蔽效能和優異寬屏吸波性能：在8.2-18.0 GHz近10 GHz的頻率范圍內的平均電磁屏蔽效能（EMI SE）超過92.3 dB，同時在整個頻段反射損耗RL均小于-10 dB，對應的平均反射屏蔽效能（SE_R）和反射率（R）分別低至0.065 dB和0.015，并首次觀測到總屏蔽效能SET和吸收屏蔽效能SE_A在整個頻段上的重疊。同時，研究團隊通過COMSOL電磁仿真模擬建立了復合泡沫的形貌結構、導電梯度與電磁波衰減機理之間的關系，驗證了漸進導電模塊化設計實現復合泡沫屏蔽與吸收性能統一的機理。這種兼具寬頻吸波和高效屏蔽特性的多級復合泡沫在應對復雜電磁環境時展示出巨大的發展前景。

圖3 多級復合泡沫漸進導電模塊結構建模及其電場分布與吸收、反射特征模擬

  該研究工作以“Integration of efficient microwave absorption and shielding in a multistage composite foam with progressive conductivity modular design” 為題發表在《Materials Horizons》期刊上。許亞東博士為該論文第一作者，段宏基副教授和胡友根副研究員為共同通訊作者。感謝國家自然科學基金（21704070, 62074154），中國博士后科學基金（2020M682983），山西省應用基礎研究項目（20210302123035，20210302123015），山西省關鍵核心技術和共性技術研發攻關專項項目（2020XXX020），廣東省基礎與應用基礎研究基金項目（2020A1515110962）對該工作的支持！

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01346G