电子信息技术的飞速发展，使得人机交互，便携式穿戴以及 5G 通讯等各种智能终端设备得到了广泛的应用，不可避免地充满了各种频率与能量的电磁波，造成电磁污染。电磁污染会导致人体神经系统疾病，精密器械的运行故障，进而带来不可估量的损失。相比于传统金属材料，导电聚合物基复合材料（CPCs）有利于实现多功能化的设计，满足不同场合的防护需求与应用的优势。然而，目前大量的研究工作聚焦在复合材料内部结构调控上，而表面结构的构筑对电磁屏蔽的影响却有较少的报道。依据经典传输线屏蔽理论，具有高电导率的屏蔽材料往往有利于实现高的电磁屏蔽性能。此前也有研究发现电磁波所接触材料表面的电导率与复合材料整体的屏蔽效能紧密相关。因此，探索具有微结构的导电表面对复合材料电磁屏蔽效能的影响以及相应电磁屏蔽机制有着重要的意义。
西南大学王明教授课题组长期从事于电磁屏蔽领域的研究，并重点围绕聚合物基复合材料的填料构筑以及结构的多层次化设计等展开，实现了一系列具有不同功能与应用的多功能电磁屏蔽复合材料（Composites Science and Technology, 2022, 229, 109715; Composites Part A, 2022, 162, 107135; Polymer, 2022, 252, 124963; Composite Structures, 2022, 292, 115668; Composites Part A, 2022, 156, 106901; Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 132949; Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 607, 210-218; Applied Surface Science, 2021, 563, 150255; Carbon, 2021, 177, 377-402）。最近，课题组通过物理气相溅射沉积技术对聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底进行预拉伸操作，释放外力后，成功得到了具有可控的表面金属铜（Cu）褶皱的夹层Cu/PDMS/Cu复合材料（图1）。
图1 Cu/PDMS/Cu复合材料的制备流程
通过有效的操作手段，在不同基底厚度与预拉伸的调控下得到了基本可控的表面金属微褶皱图案。实验结果发现，基底的厚度以及预拉伸程度对表面结构有着明显的影响。总体上，在同一厚度下随着预拉伸程度的增加，释放外力作用后其金属褶皱基本上呈现更加密集（即褶皱波长λ更小）以及幅度更大的变化趋势，此外在较高厚度下，不同的拉伸率所诱导褶皱的变化更为明显。如图2所示。
图2 具有不同基底厚度与预拉伸诱导的表面金属微褶皱
复合材料表面良好的导电性很大程度上赋予了较高的屏蔽效能，图3展示了不同表面微褶皱形成后，褶皱不同程度的变化对表面导电性能以及复合材料整体在X带（8.2~12.4 GHz）的电磁干扰屏蔽效能的影响。结果发现，在金属层厚度~2.47微米下就可实现较为良好的微波屏蔽性能，厚度以及预拉伸程度较低时，复合材料的屏蔽性能基本上没有明显的变化或略微出现了降低。整体上随着预拉伸率的增加屏蔽效能也随之增加，较厚的绝缘聚合物基底对屏蔽性能的提升是有利的，例如在预拉伸30%后1.0 mm的绝缘聚合物基底诱导所形成的复合材料其屏蔽效能最高达~30.9 dB。总体上，复合材料屏蔽性能的有效提升和反射的降低主要在于比表面积的增加延长了对电磁波的作用路径、表面的多重散射干扰、电荷的取向运动促使导电损耗的增强、强烈的界面极化以及特定几何结构的Salisbury屏效应等共同作用。
图3 具有不同表面金属微褶皱的电磁干扰屏蔽性能以及电性能的变化
图4 具有不同表面金属微褶皱的表面电流、电场及磁场的分布变化
为了进一步评估表面金属微褶皱对电磁波的干扰作用以及夹层复合材料整体对电磁波的衰减作用，通过相应数学模型的有效建立、优化以及电磁仿真分析等定性的模拟出复合材料的电场、磁场以及面电流的近似分布。图4展示了相应场的模拟结果，可以看出具有褶皱的导电表面很容易在两褶皱峰之间由于散射干扰作用而出现低能量区域以及电荷密度的分散，且随着相邻褶皱峰的增强，低能量区域的分布更加明显，这一结果很大程度上有利于复合材料反射的降低。此外，为了全面评估电磁波进入复合材料整个过程的衰减情况，合理地通过波导法进行相应的评估，图5分别给出了透过表面层（S''）以及透过复合材料（S2）模拟后的相应结果，可以发现具有微褶皱的表面有利于微波的衰减作用，高的预拉伸下褶皱的增多与增强对微波的衰减作用更为突出，相比于单层金属褶皱，具有夹层结构的褶皱衰减作用更为明显。值得一提的是，同样的结构下相比于电场的衰减，磁场的衰减变化并不是非常显著，其很有可能是由金属本身的非磁性所导致。总之，高导电的表面金属微褶皱对电磁波具有明显的干扰效果，很容易诱发表面相应场的分布变化，模拟的结果与实验的相应变化基本一致，这次工作在一定程度上为电磁屏蔽复合材料结构的有效表面设计以及相关材料电磁场作用评估提供了良好的思路。
图5 在8.2GHz下透过表面层以及复合材料的电场与磁场的电磁能量的相对衰减分布
相关研究成果以“Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study”为题，发表在国际著名Top期刊《Chemical Engineering Journal》上。西南大学化学化工学院研究生何前明为本文第一作者，王明教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金以及重庆自然基金项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140162
He Q-M, Tao J-R, Yang D, Yang Y, Wang M. Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study. Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140162
