低反射电磁屏蔽复合材料的结构控制与性能研究

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近年来,面对新一代轻量化、智能化、可穿戴化电子设备的电磁防护需求,导电聚合物复合材料(conductive polymer composites,CPCs)用于电磁屏蔽得到了广泛的关注和快速的发展。相比于传统金属材料,CPCs具有密度小、加工成型性好、电导率可调以及耐腐蚀等优势。根据阻抗不匹配原则,高电导率的CPCs基于强烈的表面电磁波反射能够展现出优异的电磁屏蔽性能。所以,目前电磁屏蔽材料的研究方向倾向于使用新型高导电材料或相应的结构设计来赋予材料优异的导电性能。但是这种依靠强烈表面反射的电磁屏蔽材料并不能从根本上解决电磁危害问题,其反射率(R)往往超过90%,造成严重的二次电磁干扰。因此,利用磁性和介电材料对电磁波的磁损耗和介电损耗来降低电磁波反射正成为当前电磁屏蔽领域的研究热点。然而,由于阻抗不匹配的限制,降低反射和提高电磁屏蔽性能相互制约。造成现有研究中低反射电磁屏蔽材料无法获得高屏蔽性能,而高屏蔽性能材料又往往无法调节其过高的反射率。因此,本文以低反射、高屏蔽电磁屏蔽材料为研究目标,从CPCs的结构控制出发,实现了低反射电磁屏蔽网络的设计和调控。解决了现有研究中降低反射率与提高电磁屏蔽性能之间的矛盾,并最终获得具有显著低反射特征的高效电磁屏蔽材料。相关研究内容如下:(1)利用化学沉积技术对金属在聚合物颗粒表面上的可控负载,制备了表面包覆致密金属镍(Ni)层的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)聚合物复合粒子。通过与废胶粉(GTR)颗粒的共混及热压成型,制备了双基体复合材料GTR/UHMWPE@Ni。得益于UHMWPE的高熔融粘度和GTR固有的3D交联结构,镍层选择分布在两基体的界面处,协同GTR基体中固有的半逾渗炭黑(CB)网络,在复合材料内构建了“磁性导电金属-碳”杂化网络。基于该杂化网络设计,在Ni含量仅为1.04 vol%的时候,材料的电导率为62.5 S/m,电磁屏蔽效能(EMI SE)达到47.3 dB。并且,材料表现出明显的低反射特性,通过对杂化网络中Ni含量的调控,复合材料的反射率R在0.71 vol%Ni含量时降低至0.58,同时获得30.8 dB的有效电磁屏蔽效能。(2)以实验室自制的还原氧化石墨烯负载四氧化三铁(Fe3O4@rGO)纳米粒子和高导电的多壁碳纳米管(MWCNT)为功能填料,采用逐层浇铸的方式制备了层状柔性Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料,复合材料为三层前置的Fe3O4@rGO/WPU吸收层和一层后置的MWCNT/WPU反射层。并通过对吸收层rGO含量的调控,在复合材料内部建立了沿电磁波入射方向上可控的正向导电梯度和负向磁梯度。使入射电磁波经历“吸收-反射-再吸收”过程,实现了基于吸收损耗的电磁屏蔽机理,材料表现出显著的低反射特征和有效的电磁屏蔽效能。通过增加电磁梯度和MWCNT含量,R值可降低至0.27,同时EMI SE增加到35.9 dB,低反射特征和电磁屏蔽效能得到同向调控。(3)将上述的梯度多层Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料定义为ar,进一步研究了吸收层(a层)厚度对材料电磁屏蔽性能的影响以及反射层(r层)MWCNT含量与反射率R之间的关系。通过对a层和r层的匹配调节,ar复合材料的R值可进一步低至0.24。在ar结构复合材料基础上通过梯度层叠的结构设计制备了具有不同电磁梯度方向的raar,arar和arra三种复合材料。raar复合材料中,梯度结构的a层填充在平行的r层之间形成了类谐振腔的三明治结构。该结构复合材料表现出超高效的电磁屏蔽效能,EMI SE可高达83.3 dB。arra具有双向的低反射特征且表现出器件特征:电磁波转换与再发射,造成复合材料EMI SE降低。arar复合材料兼具raar和arra的电磁波响应特征,在表现出电磁波发射行为的同时也能够获得高效的电磁屏蔽效能。通过对a层和r层的调控,EMI SE可至55.7 dB,相应的反射率R仅为0.28。
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