随着现代电子通讯设备的持续发展以及电子器件的不断集成化和小型化，电磁屏蔽材料在确保电子设备稳定运行，减少电磁辐射对人体的伤害等方面发挥越来越重要的作用。然而，商业化的金属屏蔽材料易被腐蚀、密度较大；已报道的导电高分子复合材料又受到电导率较低，不耐极端环境条件等限制，难以满足航天航空领域中电子器件对于电磁屏蔽材料的要求。因此，研发一种兼具轻量化、耐高低温、耐热冲击且低成本的电磁屏蔽材料对确保航天航空电子器件的稳定运行具有重要意义。

  复旦大学专用材料与装备技术研究院叶明新/沈剑锋团队长期致力于应用在航天航空领域高性能复合材料的研究。针对上述挑战，叶明新/沈剑锋课题组在前期聚酰亚胺（PI）气凝胶相关研究工作（Nature Communications, 2021, 12(1): 4092）的基础上，提出了一种有望规模化的“浸渍热压”工艺，研发了一种极端条件下仍具有优异力学性能和电磁屏蔽性能的层状多孔高性能PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜材料。

  相比于需要大量导电组分的传统共混法制备的导电复合材料，该研究在单定向结构PI弹性气凝胶的有序孔道中，通过浸渍法吸附一层二维导电Ti₃C₂T_x纳米片，然后通过“真空热压”和“释压回弹”在薄膜内部构建层状多孔的微结构（图1）。在热压过程中，未被Ti₃C₂T_x纳米片覆盖的孔道内壁，在高温和压力作用下相互连接；被Ti₃C₂T_x纳米片覆盖的孔道内壁，在压力释放后，由于气凝胶良好的弹性，孔道轻微回弹，从而在薄膜内部形成层状多孔的微结构（图2）。

图1：PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜材料的设计与制备流程。

图2：PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜材料的层状多孔微结构与形成机理示意图。

  得益于PI本身优良的力学性能和耐热/寒性能以及独特的微结构设计，PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜展现出良好的力学性能和电磁屏蔽性能。该薄膜材料密度仅为0.39 g/cm³，在-100 ℃，25 ℃和250 ℃条件下，拉伸强度均保持大于120 MPa；且从-70 ℃升温到250 ℃时，复合薄膜的尺寸变化仅为0.5%，展现了轻量化的特性和良好的力学稳定性（图3）。由于孔道内部连续化的导电通路，在Ti₃C₂T_x纳米片含量仅为2.0 vol%时，其电导率就可达1.6×10³ S/cm。得益于这种层状多孔结构和连续化的导电通路，在薄膜厚度为90 μm时，其绝对电磁屏蔽效能可达15, 527 dB cm² g^-1, 实现了“少量导电填料高屏蔽效能”的设计思路。更重要的是，在湿热、火烧、250 ℃高温、-196 ℃低温、温差为446 ℃的快速循环热冲击等恶劣条件下处理后，仍能保持上述优异的电磁屏蔽性能，在应用环境恶劣的深空探索中展现出应用潜能。

图3：PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜的力学性能和尺寸稳定性。

图4：PI/Ti₃C₂T_x复合薄膜电磁屏蔽性能与恶劣环境下的电磁屏蔽性能稳定性测试

  以上相关成果以 “Hierarchically Porous Polyimide/Ti₃C₂T_x Film with Stable Electromagnetic Interference Shielding after Resisting Harsh Conditions”为题发表于Science Advances (2021; 7 : eabj1663) 。复旦大学材料科学系博士研究生程扬为第一作者；复旦大学专用材料与装备技术研究院叶明新教授和沈剑锋教授为通讯作者。复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室、东华大学纤维材料改性国家重点实验室等单位合作参与了该项研究工作。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj1663