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    寧波材料所在電磁屏蔽材料設計與制備方面取得研究進展
    作者:,日期:2020-11-18

      隨著現代電子工業的快速發展,急劇增加的各種無線通信系統和高頻電子器件導致電磁干擾現象和電磁輻射污染問題日益突出。電磁屏蔽材料能夠通過吸收和反射的方式衰減電磁波能量以有效抑制電磁干擾和電磁輻射污染,在保護設備正常工作和人類健康方面發揮著極其重要的作用。和傳統金屬基材料相比,導電聚合物復合材料用于電磁屏蔽具有輕質、易加工、耐化學腐蝕和性能可調的優勢,已被學術界和工業界廣泛關注。另一方面,日益復雜的應用條件使得對在外部刺激下具有方便性能調節的智能屏蔽材料的需求不斷增加。前期,研究人員報道了利用濕度實現多孔電磁屏蔽材料性能的有效調節,然而濕度很難在大氣環境中被精確控制。

          中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子實驗室鄭文革研究員和沈斌副研究員團隊一直致力于高效電磁屏蔽材料的開發,在前期工作中設計了具有鋸齒形折疊結構的高強度柔性聚合物/石墨烯復合薄膜,并通過對鋸齒形折疊結構的拉伸或壓縮實現了復合薄膜屏蔽性能的有效調控(Carbon, 2017, 113, 55-62)。類似地,團隊也使用溶液涂覆的技術制備了具有優異彈性且具有開孔結構的石墨烯涂層PU泡沫,并通過簡單的機械壓縮回復來改變多孔結構對電磁波的多重反射/散射衰減能力,從而實現了對泡沫材料屏蔽性能的有效調控(ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 8050-8057)。但是,上述復合泡沫材料的局限性在于,在性能調節過程中如果沒有外力就無法固定SE(屏蔽效能)值,因為當去除外力時材料的機械變形將恢復。因此,仍然有必要探索新思路來設計并制備新型智能屏蔽材料,使其能夠在自固定機械變形下實現便捷的性能調控。

      形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer,簡稱SMP),是指具有初始形狀的制品在一定的條件下改變其初始形狀并固定后,通過外界條件(如熱、電、光、化學感應等)的刺激又可恢復其初始形狀的高分子材料。利用這個優勢,該團隊提出“在三維導電碳泡沫中引入形狀記憶聚合物來實現高效泡沫電磁屏蔽材料自固定機械變形下屏蔽性能的可控調節”的新思路(圖1)。研究人員首先以天然Balsa木作為原料,先后通過化學處理、冷凍干燥和碳化制備出了可壓縮的三維導電碳泡沫材料。隨后通過TPI(反式1,4-聚異戊二烯)和MXene的混合溶液包覆,得到了具備形狀記憶功能的復合泡沫電磁屏蔽材料(TPI-M/CF)。該材料在厚度~2-10mm和密度~150mg/cm3下具備25.3-44.7dB的優異屏蔽性能,而且屏蔽效能SE值可以根據不同壓縮應變在一定范圍內調節(例如當壓縮應變從0增加到30%和60%時,MXene含量為10wt%的樣品SE值從36.7變為28.1dB和23.0dB)。同時,憑借TPI的形狀記憶骨架,泡沫材料可以在溫度調控(熱/電刺激)下實現壓縮形變的自固定和形狀恢復(圖2),從而實現在自固定機械變形下屏蔽性能的可控調節。基于這一功能,我們可以實現該復合泡沫電磁屏蔽材料的屏蔽效能在有效范圍(SE>20dB)內可調或在低效弱屏蔽(SE<20dB)和有效強屏蔽(SE>20dB)之間智能切換(如圖3)。相關結果已發表于國際期刊Chemical Engineering Journal, 2021, 405, 126927

      上述工作得到了寧波市科技創新2025重大專項(2018B10054)、寧波市自然科學基金(2018A610004)和國家自然科學基金(51603218)的大力資助。

    圖1 自固定機械變形下屏蔽性能可調的形狀記憶復合泡沫電磁屏蔽材料

    圖2 TPI-M/CF復合泡沫材料的熱/電刺激形狀記憶功能演示

    圖3 TPI-M/CF復合泡沫材料的屏蔽效能在有效范圍(SE>20dB)內可調或在低效弱屏蔽(SE<20dB)和有效強屏蔽(SE>20dB)之間智能切換

      (高分子與復合材料實驗室 沈斌、賈錫琛)

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