一、研究背景：隨著電子通訊行業(yè)的迅速發(fā)展，大量新興電子電器設(shè)備涌入人類的交通、通信、家用電器等生活中的每個(gè)角落，為人類的生活提供了極大的便利。但是，它們也會(huì)產(chǎn)生不同頻率的電磁輻射，給人們的生產(chǎn)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(yán)重，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題和社會(huì)問題。電磁輻射的不利影響主要體現(xiàn)在電子元器件之間的電磁干擾、電磁信息泄露和電磁波對(duì)人體的危害。電磁屏蔽材料，是指放入某個(gè)區(qū)域中，通過對(duì)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(shù)電磁屏蔽材料采用金屬、金屬納米線、石墨烯等，雖然實(shí)現(xiàn)了高屏蔽值，但大多數(shù)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(diǎn)問題。
二、研究成果中北大學(xué)劉亞青、段宏基課題組報(bào)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(fù)合材料，使用納米填料為Fe3O4@rGO 和 MWCNT，構(gòu)建的有序多層屏蔽網(wǎng)絡(luò)賦予聚氨酯復(fù)合材料正電導(dǎo)率梯度和負(fù)磁導(dǎo)率梯度，入射的電磁波歷經(jīng)“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(dāng)電磁屏蔽SE值達(dá)到35.9 dB時(shí)，反射率僅0.27，這項(xiàng)工作為下一代智能電子設(shè)備吸收主導(dǎo)的可控電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)制備提供了新思路。相關(guān)工作以“Multilayer WPU conductive composites with controllable electro-magnetic gradient for absorption-dominated electromagnetic interference shielding”為題發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)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(fù)合材料制備方法示意圖
這種Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復(fù)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(jīng)冷凍干燥后得到Fe3O4@rGO磁性復(fù)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(duì)聚氨酯乳液進(jìn)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(fù)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(guān)結(jié)構(gòu)與形貌表征
通過SEM表征可以看出四層WPU復(fù)合材料緊密結(jié)合在一起，界面處沒有發(fā)生斷裂等缺陷，這種優(yōu)秀的界面粘結(jié)得益于水性聚氨酯WPU的優(yōu)異成膜性能和粘附性能，并且部分MWCNT滲入Fe3O4@rGO/WPU層，進(jìn)一步加強(qiáng)了界面粘合。MWCNT網(wǎng)絡(luò)也賦予材料良好的導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電磁屏蔽性能。
圖3 電-磁梯度測(cè)試
該復(fù)合體系的新型電-磁梯度設(shè)計(jì)值得關(guān)注，可以看出，通過調(diào)控GO和MWCNT的加入量可以調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性，從上到下，電導(dǎo)率逐漸上升，磁化強(qiáng)度逐漸下降。
圖4 電磁屏蔽性能表征
研究人員對(duì)該材料進(jìn)行了電磁屏蔽性能測(cè)試，F(xiàn)e3O4@rGO(20-60-100)- 60MWCNT 樣品實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電磁屏蔽值35.9 dB，反射率僅0.27，吸收損耗占主導(dǎo)，可以看出這種電-磁梯度設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)GO和MWCNT的含量?？梢詫?duì)電磁性能進(jìn)行調(diào)控。研究人員隨后對(duì)電磁屏蔽機(jī)理進(jìn)行了分析：由于材料阻抗匹配較好，當(dāng)電磁波進(jìn)入材料時(shí)， 這種有著正電導(dǎo)率梯度和負(fù)磁導(dǎo)率梯度的吸波層產(chǎn)生較強(qiáng)的介電損耗和磁損耗，并且在界面處產(chǎn)生界面極化，電磁波進(jìn)入導(dǎo)電反射層時(shí)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(chǎn)生的界面產(chǎn)生極化馳豫損耗，該材料由于介電損耗與磁損耗的協(xié)同作用，使其具有高電磁屏蔽值，這種新型梯度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較低的反射率。
圖5 電磁屏蔽機(jī)理示意圖
四、研究小結(jié)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(fù)合材料，通過調(diào)節(jié)填料MWCNT和GO的含量可以有效調(diào)控電磁屏蔽特性，吸收層梯度的增加產(chǎn)生磁損耗、介電損耗，較低的反射率以及優(yōu)異的電磁屏蔽性能，反射層屏蔽效能的提升促進(jìn)了電磁波的再吸收和界面極化損耗作用，進(jìn)一步提高了電磁屏蔽性能，降低反射率。Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電磁屏蔽SE值35.9 dB，反射率僅為0.27，這種獨(dú)特的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為吸收為主導(dǎo)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
