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  隨著新興的5G無(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)，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(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注。本文采用簡(jiǎn)單的溶液封裝方法制備了具有階梯式不對(duì)稱(chēng)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(ΔSE_T=8.8 dB)，并通過(guò)遙控玩具車(chē)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試得到進(jìn)一步驗(yàn)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(duì)稱(chēng)Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料制備過(guò)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料制備過(guò)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(guò)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(guò)PBAT封裝后緊密連接在一起，形成了非對(duì)稱(chēng)的梯度結(jié)構(gòu)。

圖2. （a）實(shí)驗(yàn)1：Ni@MF層為電磁波入射面的示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)2：，CNT層為電磁波入射面的示意圖。（c-e）實(shí)驗(yàn)1中不同鍍鎳時(shí)間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料在X波段的EMI SE_T、SE_R和R系數(shù)。（f-h）實(shí)驗(yàn)2中不同鍍鎳時(shí)間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料在X波段的EMI SE_T、SE_R和R系數(shù)。

圖3. （a）不同電磁波入射面的不同鍍鎳時(shí)間的Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料的平均SE_T；（b）Ni@MF/CNT-75/PBAT復(fù)合材料以不同電磁波入射面時(shí)的ΔSE_T和SE_T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(shí)的平均SE_A和A系數(shù)；（e，f）階梯式非對(duì)稱(chēng)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(dú)特的階梯式非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)賦予了該材料特殊的定向電磁屏蔽性能。實(shí)驗(yàn)“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(lài)性；此外，EMI SE_T隨著電鍍時(shí)間的增加而顯著增加（圖2c，f）。當(dāng)Ni@MF為電磁波入射面時(shí)，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SE_T的38.3 dB，當(dāng)CNT為電磁波入射面時(shí)，Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的平均SET僅為29.5 dB，ΔSE_T為8.8 dB（圖3a）。結(jié)果表明，當(dāng)電磁波從Ni@MF層射入時(shí)，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(shí)的電磁屏蔽性能，即Ni@MF/CNT/PBAT復(fù)合材料具有獨(dú)特的定向電磁屏蔽性能。

圖4. （a，b）純PBAT和不同鍍鎳時(shí)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(chē)系統(tǒng)中的實(shí)際定向電磁屏蔽應(yīng)用測(cè)量：信號(hào)發(fā)射器分別面對(duì)（c）無(wú)屏蔽材料、（d）Ni@MF層和（e）CNT層。

  為了直觀地說(shuō)明階梯式非對(duì)稱(chēng)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(chē)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試(圖4c-e)。當(dāng)信號(hào)發(fā)射器面對(duì)Ni@MF-5/CNT-75/PBAT的Ni@MF層時(shí)，即電磁波從Ni@MF層入射到復(fù)合材料中時(shí)，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(hào)微波。然而，通過(guò)翻轉(zhuǎn)Ni@MF-5/CNT-75/PBAT后，即信號(hào)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(jì)可用于定向電磁屏蔽領(lǐng)域的階梯式非對(duì)稱(chēng)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