低反射TPU基电磁屏蔽复合材料的结构设计与性能研究

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近年来,飞速发展的电子通讯技术在方便人们生活的同时产生日益加剧的电磁辐射危害,为满足不同领域的电磁防护,迫切需要柔性,轻质,高效的电磁屏蔽材料。导电聚合物复合材料(Conductive polymer composites,CPCs)因兼具柔性,轻质,易加工,性能可控,成本低等优势而广泛应用于电子信息,航空航天,军工和民用等电磁防护领域。但目前,大多数CPCs通过自身的高导电性来反射电磁波从而达到理想的电磁屏蔽效果,其反射率往往大于90%,会引起严重的二次电磁波反射污染。而且这些材料需要填充大量的导电填料来获得高导电性,导致其柔性变差,机械性能下降。此外,由于电磁参数的限制,高屏蔽性能和低反射特征相互制约,使得现有研究中高性能屏蔽材料难以获得低反射率,而低反射屏蔽材料又无法具备高屏蔽性能。与大多数聚合物相比,热塑性聚氨酯(Thermoplastic polyurethane,TPU)因其独特的软硬链段交替的线性分子结构而表现出绝佳的柔性和机械强度,可应用于复杂场景的电磁防护。本文针对上述问题,以TPU为基体,通过独特的结构设计获得了兼具低反射和高性能的柔性电磁屏蔽复合材料,解决了现有研究中低反射特征和高屏蔽性能之间的矛盾,并对所得复合材料的电磁屏蔽机理进行了研究。具体内容如下:(1)本章以TPU为基体,以高长径比碳纳米管(Carbon Nano Tube,CNT)为导电功能填料,通过静电吸附,机械热熔覆,真空辅助热压和刮涂技术制备了兼具低反射特征和高屏蔽性能的不对称隔离结构TPU/CNT/Ag复合材料,提出了“吸收-反射-再吸收”的电磁波损耗机制。复合材料在极低的填料含量下(3.7wt%CNT和0.04 wt%Ag)具有79.4 d B的高电磁屏蔽效能(Electromagnetic interference shielding effectiveness,EMI SE)和0.54的低反射率(R)。该工作为设计兼具低反射特征和高性能的电磁屏蔽材料提供了新的研究方向。(2)虽然通过隔离导电网络的不对称结构设计,同时赋予了复合材料低反射特征和高屏蔽性能,但随着CNT含量的增加,隔离结构表面固有电导率将变得难以调谐,仍会导致大量的电磁波反射(>30%)。本章以TPU为基体,通过电、磁功能填料CNT和还原氧化石墨烯负载四氧化三铁纳米颗粒(Iron oxide decorated reduced graphene oxide,Fe3O4@r GO)结合超临界二氧化碳发泡技术(Supercritical carbon dioxide foaming,SCF)和刮涂工艺,制备了具有极低反射特征的高性能复合泡沫。由于吸波泡沫良好的阻抗匹配和电磁波衰减特性以及高导电Ag层对电磁波的反射和衰减,使电磁波从吸波泡沫一侧入射时产生极低的反射并经历“低反射-吸收-反射-再吸收”的过程。在极低的填料含量下(0.28vol%CNT/Fe3O4@r GO和0.1 vol%Ag),2 mm厚的不对称结构复合泡沫具有89.2d B卓越的电磁屏蔽效能和低至0.05的平均反射率(R),最小反射系数仅为0.001(仅0.1%的电磁波被反射)。该柔性复合泡沫在下一代电子信息领域,特别是柔性电磁防护方面有广阔的应用前景。(3)上一章工作通过吸波泡沫的不对称结构设计获得了兼具极低反射特征和高屏蔽性能的电磁屏蔽复合材料,但导电屏蔽层在严苛的环境条件下长期使用难免会被损坏或脱落,届时单层吸波泡沫的屏蔽性能将不能满足电磁防护要求。因此,本章以TPU为基体,以CNT和Fe3O4@r GO复合粒子为电磁功能填料,通过真空辅助热压和超临界二氧化碳发泡技术制备了“梯度吸波泡沫-导电屏蔽层”一体化的梯度电磁屏蔽泡沫。合理的电磁梯度分布及多界面电磁波反射机制使复合泡沫在极低的填料含量下(0.18 vol%CNT/Fe3O4@r GO和2 vol%Ag)兼具90.2 d B的EMI SE和0.15的反射率(R)。此外,真空辅助热压处理使泡沫的层间紧密连接,即使在高导电Ag屏蔽层完全损坏或脱落后,复合泡沫仍然保留20 d B的EMI SE和0.17的低反射率。该工作为制备具有稳定低反射特征的高性能电磁屏蔽材料提供了新的见解。
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