【摘 要】
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随着人类科学领域的不断进步和电子信息技术的飞跃发展,由自然现象或人造电子设备引起的一系列电磁辐射、干扰和泄露已经成为现在社会亟待解决的问题之一。电子污染不仅干扰、降低或阻碍周边仪器的正常工作,还对人类的身体健康构成严重的威胁。为解决这一问题,能有效隔断电磁波传播、减少电磁污染的电磁屏蔽材料逐渐受到人们的广泛关注。近年来,耐腐蚀、成本低、密度低和易加工的导电高分子复合材料(CPCs)取代金属材料成为
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随着人类科学领域的不断进步和电子信息技术的飞跃发展,由自然现象或人造电子设备引起的一系列电磁辐射、干扰和泄露已经成为现在社会亟待解决的问题之一。电子污染不仅干扰、降低或阻碍周边仪器的正常工作,还对人类的身体健康构成严重的威胁。为解决这一问题,能有效隔断电磁波传播、减少电磁污染的电磁屏蔽材料逐渐受到人们的广泛关注。近年来,耐腐蚀、成本低、密度低和易加工的导电高分子复合材料(CPCs)取代金属材料成为最受欢迎的屏蔽材料之一,同时复合材料可控的导电率为后续屏蔽材料的设计也提供了巨大的前进空间。然而,除少数聚合物本身具有导电性,大多数高分子都是电绝缘,具有较差的电磁屏蔽性能,尽管导电填料的加入可以大幅度提高材料的电磁屏蔽性能。但是,若要达到商业应用的屏蔽效能30 d B,需要加入大量的导电填料来构建稠密的屏蔽网络实现目标,但是过多的导电填料会降低其机械性能以及增加成本。因此,如何构建在较低导电填料含量下具有较高电磁屏蔽效能的CPCs是目前电磁屏蔽领域研究的热点。为解决目前复合材料在电磁屏蔽中存在的不足,本文提出通过界面调控来控制填料分布以提高导电率,一方面增强导电网络来提高反射和吸收损耗;另一方面构筑多界面以增强对电磁波的界面反射/散射,来增强电磁波的损耗途径,最终设计出在较低导电填料含量下具有高效电磁屏蔽效能的屏蔽材料。主要研究如内容下:(1)将多壁碳纳米管(Multi-wall carbon nanotubes,MWCNTs)可控地分布在聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)的表面区域,利用两步熔融压缩法制备具有夹层结构特征的聚己内酯/多壁碳纳米管(PCLNT)复合材料,通过在材料内部引入宏观连续大尺度界面提高该复合材料的电磁屏蔽效能。研究发现,对于含有对称导电网络的夹层复合材料在MWCNTs含量相同的情况下,夹层复合材料表现出比导电填料随机分布的传统复合材料更优异的电磁屏蔽效能。同时,夹层复合材料的屏蔽性能取决于表面导电层的厚度和导电填料在其中的浓度,随着导电层厚度和其中浓度的递增,夹层复合材料表现出更为出色的电磁屏蔽效能。此外,在具有不对称导电网络的夹层复合材料中,根据电磁波进入材料方向的不同,得到的屏蔽效能也具有较大差异。(2)提出“界面微观化”概念,在复合材料中构建微观多界面,通过增强对电磁波的多重散射提高电磁屏蔽效能。具体而言,将玻璃微珠(μ-GBs)加入聚己内酯/多壁碳纳米管复合材料构建用于散射电磁波的微观小尺度界面,通过熔融共混法制备PCLNT/μ-GB复合材料。该复合材料的屏蔽效能随着少量μ-GBs的添加增加,而过高的μ-GBs添加量导致屏蔽效能反而降低。表明复合材料的微波衰减能力共同取决于PCLNT导电相中的微波吸收和微观多界面处的多重散射。另一方面,增加导电相中的导电率(MWCNTs含量)促进对微波的吸收,可补偿导电相厚度减小而引起的微波衰减能力的下降。当连续相中的填料含量从3.0 wt%增加到6.0 wt%,具有50 wt%μ-GBs的复合材料的屏蔽效能从~34 d B增至~44 d B,表明提升导电连续相的电导率可进一步提升复合材料的电磁屏蔽效能。因此,通过平衡第三组分之间导电区域对电磁波的吸收和界面产生的多重散射,可以实现具有高性能电磁屏蔽材料。(3)进一步通过增强界面的导电差异性来提高对电磁波的反射/散射,进而增强复合材料的微波衰减性能。在这项工作中,以传统的隔离PLLA/PCLNT(Conventional Segregated,CS)复合材料为基础,通过在PLLA颗粒表面上负载银纳米颗粒(silver nanosheets,Ag NPs)来构建高导电界面,以制备具有界面金属化特征的隔离PLLA@Ag/PCLNT(Interfacial-metallization segregated,IMS)复合材料。当导电填料含量相同时,IMS复合材料的屏蔽效能普遍优于CS复合材料。其中仅含0.44 vol%Ag NPs的IMS复合材料实现43.3 d B的优越屏蔽效能,超出CS复合材料(32.1 d B)约35%。然而破坏隔离结构后,IMS复合材料的屏蔽能力急剧下降。因此,IMS复合材料的高效微波衰减能力主要取决于隔离结构的微观多界面结构和界面的高导电性,这为在较低导电填料含量下具有高效电磁屏蔽效能的导电高分子复合材料的设计提供了新型的思路。
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