随着5G移动通讯等先进通讯技术的迅猛发展，电磁波辐射污染问题日益凸显，寻求轻质、高效、安全的新型电磁屏蔽材料已成为下一代高功率电子设备获得安全可靠电磁防护最为紧迫的需求。导电聚合物复合材料（Conductive Polymer Composites，CPCs）以轻质柔性、易于成型、电磁性能可调等优势在电磁屏蔽材料领域得到迅速的发展和应用。但当前基于阻抗不匹配策略设计的超高效CPCs电磁屏蔽材料具有强烈的电磁波反射特征，在使用过程中会产生严重的电磁波二次污染，难以满足智能电子设备安全、绿色的电磁防护要求。开发具有低电磁波反射特征的超高效CPCs屏蔽材料已逐渐成为研究关注的焦点。然而，基于宏观均匀的导电网络结构设计造成CPCs恒定难调的电导率，恒定电导率下固定的阻抗匹配特性必然导致高屏蔽效能与低电磁波反射特征之间无法调和的矛盾，难以从根本上获得以吸收机制为主导的超高效CPCs电磁屏蔽材料。
针对上述难题，中北大学段宏基、杨雅琦副教授课题组在近期提出对CPCs进行非对称导电网络设计的研究新思路，通过泡孔结构中非对称导电网络的构筑实现了超高效CPCs电磁屏蔽材料极低的电磁波反射特征。该研究成果近日以“Asymmetric Conductive Polymer Composite Foam for Absorption Dominated Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding with Extremely Low Reflection Characteristics”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》杂志上。(DOI: 10.1039/D0TA01393E)
图1利用密度诱导填料有序分离在WPU复合泡沫中构筑非对称导电网络的过程示意图
为获得真正以吸收机制为主导的CPCs电磁屏蔽材料，课题组在前期低反射特征CPCs电磁屏蔽材料研究工作的基础上（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），提出在泡孔结构中构筑非对称导电网络的设计新策略，将取向冷冻干燥技术与密度诱导填料分离的控制方法相结合，以取向冷冻过程中不同密度填料粒子对冰晶生长驱动力的响应差异作为非对称导电网络的结构控制手段，在水性聚氨酯（WPU）的取向泡孔结构中自下而上依次构筑了从石墨烯负载四氧化三铁（rGO@Fe3O4）强磁性弱导电网络（磁滞损耗层）向镀银膨胀微球（EBAg）强导电网络（反射屏蔽层）过渡的非对称导电网络，从而实现了对WPU电磁屏蔽性能与反射特征的有效调控。
图2 WPU低反射特征电磁屏蔽复合泡沫的屏蔽机理(a)及屏蔽性能(b)
得益于非对称导电网络的结构特性及其磁滞损耗层和反射屏蔽层的合理设计，电磁波在入射磁滞损耗层时由于rGO@Fe3O4强磁性弱导电网络良好的阻抗匹配特性几乎不发生反射，而在进入复合泡沫内部后由于EBAg强导电网络的反射作用将经历特殊的“吸收-反射-再吸收”过程。在此过程中，借助泡孔结构的多重界面反射吸收机制与磁滞损耗的耦合作用，电磁波的透过和逸出均得到了有效抑制，从而使材料在获得超高效电磁屏蔽性能的同时能够实现极低的电磁波反射特征。具有非对称导电网络结构的WPU复合泡沫在X波段的平均电磁屏蔽效能高达84.8 dB，其中吸收效能高达84.5 dB，同时电磁波反射系数（R）低至0.08，是目前报道的高效电磁屏蔽材料的最低R值。同时，填料网络的非对称结构设计也赋予了复合泡沫良好的耐水屏蔽稳定性和优异的循环压缩回弹性。该工作为低反射特征高效电磁屏蔽复合材料的研究提供了新的思路。
图3 WPU低反射特征电磁屏蔽复合泡沫的耐水屏蔽性能(a,b)和循环压缩性能(c,d)
论文第一作者为段宏基副教授，通讯作者为杨雅琦副教授，刘亚青教授为共同通讯作者。研究工作得到四川大学李忠明教授、鄢定祥研究员、郑州大学代坤教授、扬州大学高杰峰教授的支持和帮助，该研究工作得到国家自然科学基金和山西省基础研究项目的支持。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/TA/D0TA01393E
