随着电子设备和5G通讯技术的迅速发展，电磁环境日益复杂，所带来的信号干扰等问题严重影响电子设备的正常运行。通过电磁屏蔽材料阻隔电磁波之间的干扰是解决该问题的有效手段。传统电磁屏蔽材料往往通过提高材料导电性以实现其电磁屏蔽效能的提升，但电导率的提升会加剧屏蔽材料对电磁波的反射，进一步复杂电磁环境并显著影响受保护电子设备的工作精度与稳定性。因此，开发兼具优异吸波特性的超高效电磁屏蔽材料成为消除电磁波干扰的理想解决方案。然而，当前吸波材料与电磁屏蔽材料的设计原理存在巨大差异，在复合材料中实现超高效电磁屏蔽性能与宽频吸波特性的集成依然是极大的挑战。

  为此，中北大学段宏基副教授课题组联合中科院深圳先进技术研究院孙蓉、胡友根团队，在前期低反射特征电磁屏蔽复合材料的梯度导电网络设计（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10: 19143）、层状结构电磁梯度控制（Composites Part A 2020, 129: 105692）和非对称导电网络设计（J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 9146）工作基础上，提出了一种基于渐进导电模块化设计（progressive conductivity modular design）的全新策略，首次在多级结构复合泡沫材料中实现了超高效电磁屏蔽性能与宽频吸波特性的统一，从而为发展智能电磁响应材料提供了崭新的思路。

图1 多级复合泡沫的渐进导电模块化设计组装及其对电磁波的吸收衰减机理

  研究团队在定向冷冻真空干燥的基础上，通过渐进导电模块化设计策略，组装搭建了具有多级取向泡孔结构的还原氧化石墨烯@四氧化三铁/碳纳米管/四针状氧化锌晶须@银/水性聚氨酯（rGO@Fe₃O₄/CNT/T-ZnO@Ag/WPU）复合泡沫。取向泡孔结构在降低材料密度的同时有效降低了材料的真实介电性能，改善了材料与电磁波间的阻抗匹配；磁-电渐进式梯度设计则能够赋予材料沿电磁波入射方向上正向的导电梯度，从而控制表面电阻匹配入射电磁波阻抗使其几乎不发生反射；并能够通过电介质损耗与磁滞损耗匹配机制诱导入射电磁波在深度方向逐步衰减，借助泡孔结构的多重界面反射吸收机制与梯度增强的电介质损耗作用相耦合有效抑制电磁波的逸出，最终实现超高效屏蔽材料对电磁波的高效吸收。

图2 多级复合泡沫的在X至Ku波段的电磁屏蔽性能、吸收反射特征及屏蔽机理

  得益于渐进导电模块化设计与取向泡孔结构的有效结合，所制备的多级复合泡沫能够实现电磁波吸收、反射特性的任意调节，从而表现出极高的电磁屏蔽效能和优异宽屏吸波性能：在8.2-18.0 GHz近10 GHz的频率范围内的平均电磁屏蔽效能（EMI SE）超过92.3 dB，同时在整个频段反射损耗RL均小于-10 dB，对应的平均反射屏蔽效能（SE_R）和反射率（R）分别低至0.065 dB和0.015，并首次观测到总屏蔽效能SET和吸收屏蔽效能SE_A在整个频段上的重叠。同时，研究团队通过COMSOL电磁仿真模拟建立了复合泡沫的形貌结构、导电梯度与电磁波衰减机理之间的关系，验证了渐进导电模块化设计实现复合泡沫屏蔽与吸收性能统一的机理。这种兼具宽频吸波和高效屏蔽特性的多级复合泡沫在应对复杂电磁环境时展示出巨大的发展前景。

图3 多级复合泡沫渐进导电模块结构建模及其电场分布与吸收、反射特征模拟

  该研究工作以“Integration of efficient microwave absorption and shielding in a multistage composite foam with progressive conductivity modular design” 为题发表在《Materials Horizons》期刊上。许亚东博士为该论文第一作者，段宏基副教授和胡友根副研究员为共同通讯作者。感谢国家自然科学基金（21704070, 62074154），中国博士后科学基金（2020M682983），山西省应用基础研究项目（20210302123035，20210302123015），山西省关键核心技术和共性技术研发攻关专项项目（2020XXX020），广东省基础与应用基础研究基金项目（2020A1515110962）对该工作的支持！

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01346G