多种填料粒子协同增强导电聚合物复合材料电磁屏蔽效能

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在信息技术快速发展的时代,电子产品和各类智能设备已被广泛地应用于航天航空、日常生活、国防军事等各个领域。它们给人类生活带来极大便利的同时也使得电磁干扰(EMI)问题愈加严重。近年来,为了有效解决电磁干扰造成的不良影响,电磁屏蔽材料正被广泛研究以限制或阻断电磁干扰。随着电子元件的精细化和高度集成化,柔韧性好、耐腐蚀、易加工、低成本的导电聚合物复合材料(CPCs)被认为是替代传统金属材料用作电磁干扰屏蔽的潜在材料。然而,由于CPCs中聚合基体的绝缘性,通常需要添加较多的导电填料或增加复合材料的厚度来实现较好的电磁屏蔽性能。这不仅会增加制造成本,还易造成材料机械性能下降。此外,随着导电填料的增加,材料的导电性增加将使得阻抗不匹配问题加剧,导致电磁波在材料表面被大量反射而造成二次电磁污染。据报道,磁性填料能够有效改善材料的阻抗不匹配问题,但其固有缺陷使其应用受限。因此,如何以少量导电填料实现以吸收为主导的高效电磁屏蔽已成为电磁屏蔽材料设计制备的重点关注问题之一。针对上述问题,研究者们从材料结构设计着手,取得了一定成就。然而,从结构角度出发,在材料制备过程中面临着不可控因素较多、制作方法复杂、制作成本高等问题。大多结构设计以牺牲厚度来实现高效电磁屏蔽,不能满足新一代电子设备对柔性、轻量化、厚度薄、强电磁波吸收损耗的高效EMI屏蔽材料的迫切需求。本文提出从填料角度出发,在CPCs中引入第三组分导电填料粒子或赋予导电填料电磁波吸收性能,利用填料协同作用增加电磁波在材料内部的运动路径及吸收损耗,从而以少量填料和较薄的厚度制备出具有以吸收为主导的高效电磁屏蔽CPCs。主要研究内容如下:(1)将微米尺度的液态金属(LM)(镓铟锡合金(Ga In Sn))加入到聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管(PDMS/CNT)混合物中,通过简单共混和热压固化制备了具有多个微观界面的液态金属/聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管(LM/PDMS/CNT)复合材料。研究发现,当CNTs含量相同时,由于微米级LM与纳米级CNTs的协同作用,使得LM/PDMCS/CNT复合材料相比于PDMS/CNT复合材料表现出更加优异的电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)且以吸收损耗为主导。含有2.0 vol.%CNTs和1.0 vol.%LM的LM/PDMS/CNT复合材料的电磁波吸收系数(A)可高达0.84,反射系数(R)仅约为0.16。此外,LM的室温液态可流动性赋予了LM/PDMS/CNT复合材料应力诱导的可调谐电磁屏蔽性能。(2)上述工作证实了在CPCs中引入第三组分导电填料可显著改善复合材料的电磁屏蔽效能。然而,LM滴的粒径不均匀性和易聚集性使其在大规模应用研究中具有一定的局限性。将具有高导电性且廉价易得的铜粉(Cu)加入到PDMS/CNT(PCNT)混合物中制备了聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管/铜(PDMS/CNT/Cu,PCNTC)复合材料,以便更好地探究第三组分导电填料粒径和含量对复合材料屏蔽性能的影响。研究表明,铜粉作为材料内部电磁波散射点与PCNT基体相互作用,能够以很少量的导电填料实现以吸收为主导的高效电磁屏蔽。具体而言,当CNT含量为1.0 vol.%时,加入仅0.05 vol.%Cu能够使复合材料的电磁屏蔽值提高到26.97 d B,而在LM/PDMS/CNT复合材料中引入0.5 vol.%LM时电磁屏蔽值仅能达到21.7 d B。此外,还利用了HFSS电磁场仿真软件模拟了PCNTC复合材料对电磁波的损耗作用并探讨了材料的屏蔽机理。(3)在上述工作的基础上,为了进一步提升材料对电磁波的屏蔽效能,赋予导电填料粒子较强的电磁波吸收损耗能力。磁性填料因其高磁导率常被用作吸波材料。然而,面对磁性材料的固有缺陷,非磁性吸波材料的研究逐渐成为以吸收损耗为主的电磁屏蔽材料研究的一个新方向。本工作通过简单的工艺,成功制备了具有特殊异质界面及核壳结构的LM/Cu(LC)复合微粒作为电磁波吸收体。研究发现,与Cu粉相比,LC颗粒特殊的微观结构使其具有优异的电磁波吸收性能。具体而言,当样品厚度仅为2.1 mm时,其最佳反射损耗为-39.6 d B,当厚度为2.5 mm时其最大有效吸收带宽可达4.96 GHz。此外,还使用离轴电子全息技术以了解在电磁场作用下LC复合粒子微观界面区域的电荷密度和电场分布状况。最后,将LC复合颗粒加到PDMS/CNT混合物中制备PDMS/CNT/LC复合材料。结果表明,LC能显著增强CPCs的电磁屏蔽性能。
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