中科院深圳先进院胡友根、林志强《Small》：高效吸波导热多功能弹性材料的设计

2022-12-01 来源：高分子科技

随着电子产品的小型化、高度集成化和高频化，其内部热量积累和电磁干扰问题日益严重，兼具高热导率和高效电磁波吸收性能的多功能弹性材料是解决该问题的理想选择。与电磁屏蔽材料相比，吸波材料可有效减少电磁波的反射，避免电磁波二次污染。在吸波材料微观结构设计中，需要材料内部的吸波成分充分分散、隔离，以提高吸波效果、拓宽频率范围；而提高材料导热性能，则要求材料内部尽可能连续、低缺陷、少界面，形成连续导热通路网络。导热材料与吸波材料在微观结构设计方面存在的矛盾，极大增加了在同一材料上同时实现高导热与高效吸波的难度。

为应对上述挑战，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院孙蓉研究员团队的胡友根副副研究员、林志强副研究员制备了一种在厚度方向导热通路贯穿、在水平方向电磁隔离、具有取向结构的碳纤维弹性体复合材料，用于高效热管理和电磁波吸收。相关工作在Small（IF: 15.15）上发表了题为：“A Through-Thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption”的研究论文。该论文提出了一种新的结构设计思路：构建取向结构的连续导热骨架，同时在导热填料表面引入磁性功能基元提升材料的阻抗匹配和吸波性能。利用该结构设计策略，该论文报道了一种同时具有高面外热导率（λ_⊥=15.55 W m^-1K^-1）和优秀吸波性能（最小反射损耗RL_min=-55.15 dB，有效吸收带宽EAB=8.25 GHz）的弹性材料。该弹性体在垂直方向具有贯穿厚度的碳纤维（CF）阵列以提高面外热导率，在水平方向构建NiCo₂O₄磁性隔离网络以提高阻抗匹配和吸波性能，并以有机硅胶为聚合物基体提供充分的柔弹性。此外，取向结构NiCO@CFs弹性体的导热和电磁波吸收性能还可以通过改变取向角度来调控。简而言之，该工作通过巧妙的结构设计，实现了出色的导热、电磁波吸收与机械柔性的多功能一体化集成，为开发面向高频和高功率电子设备的多功能材料提供了重要参考方案。

图1 贯穿厚度的阵列化取向结构NiCO@CFs弹性体制备与表征。a）弹性体的制备流程示意图；b）CF、GO/CF和NiCO@CF的SEM图；c）NiCO@CF杂化填料的横截面SEM图以及Co和Ni元素分布的能谱映射；d，e）NiCO@CFs的高分辨率Co 2p和Ni 2p的X射线光电子能谱；f）第一性原理计算的钴-石墨烯，镍-石墨烯，钴-氧化石墨烯和镍-氧化石墨烯系统的结合能（右下角的插图为NiCo₂O₄和GO/CF之间界面的TEM图像）。

图2 取向化结构NiCO@CFs弹性体实物及其厚度与取向角度调控。

图3 NiCO@CFs弹性体的结构、导热性能和机械性能。a–e） NA、A0、A30、A60和A90的横截面SEM图像以及碳元素分布和快速傅里叶变换图像的相应能谱映射；f）不同取向角度的NiCO@CFs弹性体面外导热系数比较；g）不同取向角的NiCO@CFs弹性体放置在恒温加热台上的表面温度-时间曲线；h）具有不同取向角的NiCO@CFs弹性体的连续红外图像，将其放置在恒温为180°C的加热板上；i）垂直排列的CF和NiCO@CFs阵列弹性体的热导率与最近报道的文献的比较；j）基于Agari模型的实验热导率拟合，插图为A90（垂直取向样品）的热传导路径示意图；k）不同取向角的NiCO@CFs弹性体的压缩应力-应变曲线。l）A90的恢复率和相应的压应力-应变曲线（插图）；m）A90的温度曲线的存储和损耗模量。

图4 不同取向角度的阵列NiCO@CFs弹性体的电磁参数的频率依赖性。a）复介电常数的实部ε′（顶部）和虚部ε′′（底部）；b）介电损耗正切值tanδ_ε；c）阵列NiCO@CFs弹性体的偶极子/界面极化和电导损耗示意图；d）复磁导率的实部μ′（顶部）和虚部μ′′（底部）；e）磁损耗正切值tanδ_μ；f）阵列NiCO@CFs弹性体的涡流损耗和磁共振示意图。

图5 NiCO@CFs弹性体的电磁波吸收性能。计算的理论RL值为a）A0，b）A30，c）A60和d）A90的3D曲线；e）EAB和RL_min的比较，具有不同取向角和质量分数的NiCO@CFs弹性体；f）不同取向角和质量比的弹性体NiCO@CFs EAB分布；g）NiCO@CFs弹性体与其他电磁波吸收材料的EAB和RL_min比较。

图6 不同取向角的阵列NiCO@CFs弹性体的电磁波吸收性能比较；a）反射损耗，Z_in/Z₀，以及NiCO@CFs弹性体在3.88 mm选择性厚度下的衰减常数α；b）调控NiCO@CFs弹性体电磁波吸收性能的策略示意图。

图7 多功能阵列NiCO@CFs弹性体的工作机理。a）电场和磁场的模拟。b）热通道路径示意图；c）综合性能比较，包括导热系数（λ）、最小反射损耗（RL_min）和有效吸收带宽（EAB）。

该论文第一作者为南科大-深理工在读联培硕士研究生张震，通讯作者为林志强副研究员、胡友根副研究员。

原文链接：A Through-thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption

Zhen Zhang, Jianda Wang, Jian Shang, Yadong Xu, Yan-Jun Wan, Zhiqiang Lin*, Rong Sun, and Yougen Hu*

Small DOI: 10.1002/smll.202205716

https://doi.org/10.1002/smll.202205716

作者介绍

林志强本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院副研究员

主要研究领域为高性能电磁屏蔽、电磁波吸收材料及其在电子封装中的应用。主持承担国家自然科学青年科学基金、广东省区域联合基金-广佛地区培育基金/青年基金、深圳市博士启动计划、企业委托等项目；近年来，以第一/通信作者在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Composites Science and Technology, Nanoscale 等杂志发表期刊论文10余篇，获得授权发明专利多项。

胡友根本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院副研究员

主要研究兴趣为导电功能复合材料及其在电磁兼容、电互连、柔性电子等领域的应用。主持承担国家自然科学基金面上/青年科学基金、JW科技委、工信部、深圳市技术攻关/基础研究、企业委托等项目10余项；参与国家地方联合工程实验室、广东省科研创新团队、广东省重点实验室等项目。以第一作者/通讯作者在Nano-Micro Letters, Nano Energy, Small, Materials Horizons等学术期刊发表SCI论文30余篇，申请中国发明专利80余件，PCT专利4件，授权专利30余件，担任国家自然科学基金通讯评审专家、Soft Science期刊青年编委及Nano Energy, CEJ, ACS AMI等国际期刊审稿人。

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（责任编辑：xu）

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