隨著新興的5G無線系統(tǒng)為代表的電子設(shè)備和現(xiàn)代電信技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，開發(fā)高性能電磁屏蔽材料以減少電磁波污染十分必要。傳統(tǒng)上，金屬基材料因其高導(dǎo)電性或磁導(dǎo)率而被廣泛用于電磁屏蔽材料，但其固有的高密度、易腐蝕、不可撓性和難加工等使其在智能和微電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用受限。因此，開發(fā)具有良好力學(xué)性能的新型輕質(zhì)柔性電磁屏蔽材料具有重要意義。近年來，由聚合物基體和導(dǎo)電填料組成的導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料以其重量輕、成本低、柔韌性好、易于加工、耐腐蝕等優(yōu)點，引起了廣泛的關(guān)注。本文采用簡單的溶液封裝方法制備了具有階梯式不對稱結(jié)構(gòu)的Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料。復(fù)合材料表現(xiàn)出前所未有的定向電磁屏蔽效能(ΔSET=8.8 dB)，并通過遙控玩具車系統(tǒng)的實際應(yīng)用測試得到進(jìn)一步驗證。研究成果發(fā)表在《Nano-Micro Letters》上。(Bai Xue, Yi Li, Ziling Cheng, Shengdu Yang, Lan Xie*, Shuhao Qin, Qiang Zheng*. Nano-Micro Letters,14, 16 (2022), IF=16.419)。
圖1. （a）階梯式非對稱Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料制備過程示意圖；（b）CNT薄膜的SEM圖；（c）MF的SEM圖；（d，e）不同放大倍數(shù)下Ni@MF-5的SEM圖；（f，g）Ni@MF-5的SEM圖及Ni元素EDS圖；（h）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT中CNT-75/PBAT下層的SEM圖；（i）Ni@MF-5/PBAT上層的SEM圖；（j-m）Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的SEM圖與C，N，Ni元素EDS圖。
階梯式不對稱結(jié)構(gòu)的Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料制備過程包括真空輔助自組裝法制備碳納米管薄膜，表面化學(xué)鍍鎳法制備鍍鎳三聚氰胺泡沫以及在PBAT-二氯甲烷溶液中集中封裝Ni@MF和CNT。如圖1所示，CNT層具有沿面內(nèi)方向排列良好的片層微結(jié)構(gòu)，形成緊密相連的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；光滑的MF骨架經(jīng)化學(xué)鍍鎳過后表面附著致密的金屬鎳層而變得粗糙；并且Ni@MF層和CNT層通過PBAT封裝后緊密連接在一起，形成了非對稱的梯度結(jié)構(gòu)。
圖2. （a）實驗1：Ni@MF層為電磁波入射面的示意圖；（b）實驗2：，CNT層為電磁波入射面的示意圖。（c-e）實驗1中不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料在X波段的EMI SET、SER和R系數(shù)。（f-h）實驗2中不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料在X波段的EMI SET、SER和R系數(shù)。
圖3. （a）不同電磁波入射面的不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料的平均SET；（b）Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料以不同電磁波入射面時的ΔSET和SET增強(qiáng)；（c-d）Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料以不同電磁波入射面時的平均SEA和A系數(shù)；（e，f）階梯式非對稱Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料的定向電磁屏蔽機(jī)理示意圖。
由于Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料具有獨特的階梯式非對稱結(jié)構(gòu)賦予了該材料特殊的定向電磁屏蔽性能。實驗“1”和“2”表明電磁波分別從Ni@MF層和CNT層入射(圖2a，b)。盡管不同的入射方向，所有復(fù)合材料的EMI SET在X波段呈現(xiàn)較弱的頻率依賴性；此外，EMI SET隨著電鍍時間的增加而顯著增加（圖2c，f）。當(dāng)Ni@MF為電磁波入射面時，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET的38.3 dB，當(dāng)CNT為電磁波入射面時，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET僅為29.5 dB，ΔSET為8.8 dB（圖3a）。結(jié)果表明，當(dāng)電磁波從Ni@MF層射入時，Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料的電磁屏蔽性能優(yōu)于CNT層為電磁波入射面時的電磁屏蔽性能，即Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料具有獨特的定向電磁屏蔽性能。
圖4. （a，b）純PBAT和不同鍍鎳時間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度和韌性；（c-e）遙控玩具車系統(tǒng)中的實際定向電磁屏蔽應(yīng)用測量：信號發(fā)射器分別面對（c）無屏蔽材料、（d）Ni@MF層和（e）CNT層。
為了直觀地說明階梯式非對稱結(jié)構(gòu)的Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料的新型定向電磁屏蔽性能，使用由電機(jī)模塊、指示器模塊、發(fā)射器模塊和接收器模塊組成的遙控玩具車系統(tǒng)進(jìn)行了實際應(yīng)用測試(圖4c-e)。當(dāng)信號發(fā)射器面對Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的Ni@MF層時，即電磁波從Ni@MF層入射到復(fù)合材料中時，指示燈熄滅，電機(jī)停止運(yùn)行(圖4d)。這是由于Ni@MF-5/CNT-75/PBAT能有效地阻擋從Ni@MF層入射的信號微波。然而，通過翻轉(zhuǎn)Ni@MF-5/CNT-75/PBAT后，即信號波從CNT層入射，指示燈再次亮起，電機(jī)再次運(yùn)行（圖4e）。這一有趣的現(xiàn)象為設(shè)計可用于定向電磁屏蔽領(lǐng)域的階梯式非對稱屏蔽復(fù)合材料提供了一種新的策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-021-00743-y
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