科学Tang丨具有优异电磁波吸收特性的聚酰亚胺/Fe3O4@PPy电磁屏蔽泡沫

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2024-04-15 / 行业新闻

电子设备特别是无线通信设备（如手机或便携式电脑）的普及程度越来越高，导致生活环境中电磁辐射增加。电磁辐射的增加不仅影响电子通信设施的正常运行，而且严重危害人体健康。高导电性的金属通常用作电磁屏蔽（EMI）填料或表面涂层来反射电磁波，从而获得较高的EMI性能。然而，金属材料的高密度、易腐蚀、高反射等特性限制了其在电磁屏蔽领域的应用。因此，迫切需要开发具有低反射和优异微波吸收特性的柔性轻质电磁屏蔽材料。

近日，西安工程大学赵强莉博士等提出了一种基于聚酰亚胺（PI）泡沫的蜂窝结构和聚吡咯（PPy）原位聚合技术调控复合泡沫泡孔形态的新策略，设计了一种PPy薄膜覆盖或半覆盖的新型结构。引入Fe₃O₄纳米颗粒增强复合泡沫材料的磁性和导电性，同时增强了复合泡沫材料对电磁波的多次反射和吸收特性。然后通过磁控溅射在复合泡沫表面引入一层薄的铜（Cu）反射层，增强了复合泡沫的多重反射效果。由于PI泡沫内部形成的PPy薄膜的良好导电性，当电磁波进入复合泡沫内部时会发生多次反射，从而实现以吸收为主的电磁屏蔽效果。

该研究工作以“Honeycomb-like Polyimide/Fe₃O₄@PPy foam for electromagnetic wave shielding with excellent absorption characteristics”为题发表在《Composites Science and Technology》期刊。西安工程大学褚伟为第一作者，李建伟博士和赵强莉博士为共同通讯作者。

图1.（a）PF/Fe₃O₄、PF/Fe₃O₄@PPy和PF/Fe₃O₄@PPy/Cu的制备工艺及原理图;（b-c）红外谱图;（d）机械性能;（e-f₁）复合泡沫SEM图;（g）Fe₃O₄颗粒分布SEM图;（h-h₁）表面Cu粒子的SEM图和EDS图。

【PF/Fe₃O₄@PPy/Cu的制备】

图1描述了利用高导电性的Cu作为反射面制备以PI为基体的PF/Fe₃O₄@PPy/Cu泡沫的过程。将含Fe₃O₄纳米粉末的混合溶液浇注到模具上后，通过化学发泡制备复合泡沫PF/Fe₃O₄。然后将其浸入FeCl₃溶液中，再转移到吡咯蒸气环境中，在催化剂（FeCl₃）作用下立即开始聚合过程。随着聚合时间的增加，PI泡沫泡孔之间的PPy膜增厚，形成闭孔结构。最后采用磁控溅射法制备了单侧表面上含有Cu纳米层的复合泡沫材料。

图2.PF/Fe₃O₄@PPy的微观结构及其机制。

【PF/Fe₃O₄@PPy的微观结构及其机制】

如图2所示，当聚合时间为3 ~ 12 h时，PF/Fe₃O₄@PPy的SEM截面图呈现出网状结构。随着聚合时间的增加，复合泡沫由开孔结构向闭孔结构转变，通过聚合反应在复合泡沫中形成的不规则“蜂窝”结构为电磁波的多次反射和耗散提供丰富的界面，从而增强电磁屏蔽性能（图2g）。

当电磁波与PPy薄膜构成的导电网络相遇时，感应电流相互作用，造成欧姆损失，导致电磁波能量降低。此外，界面极化在电磁波衰减中也起着重要作用，PF/Fe₃O₄@PPy内部电介质中的自由载流子在外加电场的作用下移动，使界面区域的电荷分布不均匀，形成电偶极矩，最终减弱电磁辐射。

图3.（a-i）PF/Fe₃O₄@PPy和PF/Fe₃O₄@PPy/Cu的EMI性能;（j）EMI机理示意图。

【PF/Fe₃O₄@PPy/Cu电磁屏蔽性能】

PF/Fe₃O₄@PPy/Cu的表面电导率与PF/Fe₃O₄@PPy相比明显提高（图3a），高导电性将有利于获得良好的电磁屏蔽性能。磁控溅射Cu后的反射系数（R）也略有增加（图3f），主要是由于入射电磁波的多次反射增强，但吸收系数（A）始终大于0.5，与PF/Fe₃O₄@PPy相比最高EMI SE 从21 dB上升到34 dB（图3b、e）。

随着Fe₃O₄含量的增加，R值逐渐增大，表明随着Fe₃O₄含量的增加，电磁波通过多次反射或散射、传导损耗和界面极化产生的微电流增多。大多数电磁波进入PF/Fe₃O₄@PPy/Cu，内部多重损耗和吸收发生在孔壁的非均质界面之间。剩余的电磁波穿过复合泡沫，并在复合泡沫另一表面的Cu层反射（图3j），再次被泡孔吸收，从而实现以吸收为主的EMI效果。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110489

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