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  隨著新興的5G無線系統為代表的電子設備和現代電信技術的出現與發展，開發高性能電磁屏蔽材料以減少電磁波污染十分必要。傳統上，金屬基材料因其高導電性或磁導率而被廣泛用于電磁屏蔽材料，但其固有的高密度、易腐蝕、不可撓性和難加工等使其在智能和微電子產品領域應用受限。因此，開發具有良好力學性能的新型輕質柔性電磁屏蔽材料具有重要意義。近年來，由聚合物基體和導電填料組成的導電聚合物復合材料以其重量輕、成本低、柔韌性好、易于加工、耐腐蝕等優點，引起了廣泛的關注。本文采用簡單的溶液封裝方法制備了具有階梯式不對稱結構的Ni@MF/CNT/PBAT復合材料。復合材料表現出前所未有的定向電磁屏蔽效能(ΔSE_T=8.8 dB)，并通過遙控玩具車系統的實際應用測試得到進一步驗證。研究成果發表在《Nano-Micro Letters》上。(Bai Xue, Yi Li, Ziling Cheng, Shengdu Yang, Lan Xie*, Shuhao Qin, Qiang Zheng*. Nano-Micro Letters,14, 16 (2022), IF=16.419)。

圖1. （a）階梯式非對稱Ni@MF/CNT/PBAT復合材料制備過程示意圖；（b）CNT薄膜的SEM圖；（c）MF的SEM圖；（d，e）不同放大倍數下Ni@MF-5的SEM圖；（f，g）Ni@MF-5的SEM圖及Ni元素EDS圖；（h）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT中CNT-75/PBAT下層的SEM圖；（i）Ni@MF-5/PBAT上層的SEM圖；（j-m）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的SEM圖與C，N，Ni元素EDS圖。

  階梯式不對稱結構的Ni@MF/CNT/PBAT復合材料制備過程包括真空輔助自組裝法制備碳納米管薄膜，表面化學鍍鎳法制備鍍鎳三聚氰胺泡沫以及在PBAT-二氯甲烷溶液中集中封裝Ni@MF和CNT。如圖1所示，CNT層具有沿面內方向排列良好的片層微結構，形成緊密相連的導電網絡；光滑的MF骨架經化學鍍鎳過后表面附著致密的金屬鎳層而變得粗糙；并且Ni@MF層和CNT層通過PBAT封裝后緊密連接在一起，形成了非對稱的梯度結構。

圖2. （a）實驗1：Ni@MF層為電磁波入射面的示意圖；（b）實驗2：，CNT層為電磁波入射面的示意圖。（c-e）實驗1中不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料在X波段的EMI SE_T、SE_R和R系數。（f-h）實驗2中不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料在X波段的EMI SE_T、SE_R和R系數。

圖3. （a）不同電磁波入射面的不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料的平均SE_T；（b）Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料以不同電磁波入射面時的ΔSE_T和SE_T增強；（c-d）Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料以不同電磁波入射面時的平均SE_A和A系數；（e，f）階梯式非對稱Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料的定向電磁屏蔽機理示意圖。

  由于Ni@MF/CNT/PBAT復合材料具有獨特的階梯式非對稱結構賦予了該材料特殊的定向電磁屏蔽性能。實驗“1”和“2”表明電磁波分別從Ni@MF層和CNT層入射(圖2a，b)。盡管不同的入射方向，所有復合材料的EMI SET在X波段呈現較弱的頻率依賴性；此外，EMI SE_T隨著電鍍時間的增加而顯著增加（圖2c，f）。當Ni@MF為電磁波入射面時，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SE_T的38.3 dB，當CNT為電磁波入射面時，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET僅為29.5 dB，ΔSE_T為8.8 dB（圖3a）。結果表明，當電磁波從Ni@MF層射入時，Ni@MF/CNT/PBAT復合材料的電磁屏蔽性能優于CNT層為電磁波入射面時的電磁屏蔽性能，即Ni@MF/CNT/PBAT復合材料具有獨特的定向電磁屏蔽性能。

圖4. （a，b）純PBAT和不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復合材料的應力-應變曲線和相應的拉伸強度和韌性；（c-e）遙控玩具車系統中的實際定向電磁屏蔽應用測量：信號發射器分別面對（c）無屏蔽材料、（d）Ni@MF層和（e）CNT層。

  為了直觀地說明階梯式非對稱結構的Ni@MF/CNT/PBAT復合材料的新型定向電磁屏蔽性能，使用由電機模塊、指示器模塊、發射器模塊和接收器模塊組成的遙控玩具車系統進行了實際應用測試(圖4c-e)。當信號發射器面對Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的Ni@MF層時，即電磁波從Ni@MF層入射到復合材料中時，指示燈熄滅，電機停止運行(圖4d)。這是由于Ni@MF-5/CNT-75/PBAT能有效地阻擋從Ni@MF層入射的信號微波。然而，通過翻轉Ni@MF-5/CNT-75/PBAT后，即信號波從CNT層入射，指示燈再次亮起，電機再次運行（圖4e）。這一有趣的現象為設計可用于定向電磁屏蔽領域的階梯式非對稱屏蔽復合材料提供了一種新的策略。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-021-00743-y