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研究速覽

■?近日，浙江工業(yè)大學(xué)王旭教授、馬猛副教授團(tuán)隊(duì)，在Chemical Engineering Journal期刊上發(fā)表題為“Cellulose nanofiber/MXene/FeCo composites with gradient structure for highly absorbed electromagnetic interference shielding”的研究論文。該工作利用纖維素納米纖維（CNF）、MXene和FeCo，通過逐層真空過濾的方法，構(gòu)建了一種具有可控電磁雙梯度結(jié)構(gòu)的優(yōu)良EMI SE和低電磁波反射復(fù)合膜。

▉? 研究摘要? ▉

■?5G時(shí)代推動(dòng)了電子電氣設(shè)備的快速發(fā)展，大量新興電子電氣設(shè)備涌入人類的交通、通信、家用電器等生活中的每個(gè)角落，為生活帶來了便利。但是，同時(shí)也產(chǎn)生了更多的電磁(EM)輻射，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題和社會(huì)問題。高效的電磁屏蔽材料可以有效的減輕或消除電磁輻射帶來的影響。導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料(CPCs)在電磁干擾(EMI)屏蔽領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。然而，這些材料存在著高電磁干擾屏蔽效能(EMI SE)和低電磁波反射的內(nèi)在矛盾。如何設(shè)計(jì)開發(fā)一種輕薄、高效能同時(shí)兼具低反射特性的電磁屏蔽材料仍是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

■?鑒于此，浙江工業(yè)大學(xué)王旭教授、馬猛副教授課題組報(bào)道了一種以纖維素納米纖維(CNF)、MXene和FeCo為材料，采用逐層真空過濾的方法制的具有可控電磁雙梯度結(jié)構(gòu)的高電磁干擾屏蔽和低電磁波反射性能優(yōu)異的復(fù)合薄膜。得益于梯度結(jié)構(gòu)的過渡層和反射層的協(xié)同作用，復(fù)合膜具有良好的阻抗匹配、豐富的損耗機(jī)制和高效的EMI屏蔽能力，從而實(shí)現(xiàn)了吸收為主的屏蔽特性。此外，梯度結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電磁波進(jìn)入復(fù)合薄膜時(shí)的“吸收-反射-再吸收”過程。制備的CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合膜具有顯著的電磁干擾SE為58.0 dB，反射系數(shù)(R)低至0.61。結(jié)果表明，增厚過渡層可以提高電磁波吸收能力，隨著反射層的增厚，電磁干擾SE得到改善。

■ 研究要點(diǎn)1：

本工作利用真空輔助抽濾制備CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜，與CNF/FeCo復(fù)合膜相比，當(dāng)MXene在復(fù)合膜中比例增加時(shí)，F(xiàn)eCo團(tuán)聚現(xiàn)象減弱，復(fù)合膜的層狀結(jié)構(gòu)變得更清晰。MXene提高了FeCo的分散性。對CNF/MXene和CNF/MX-ene/FeCo的吸收效能和反射效能進(jìn)行比較，CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜在X波段表現(xiàn)出更好的EMI SE，證明FeCo帶來的磁損耗增強(qiáng)了復(fù)合膜吸收電磁波的能力。

圖1. CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜的制備示意圖及斷面形貌

圖2. CNF/MXene和CNF/MXene/FeCo的電磁屏蔽性能

■ 研究要點(diǎn)2：

簡單地引入磁性粒子并不是增強(qiáng)電磁波吸收能力的合適手段。本工作進(jìn)一步構(gòu)建了一種具有磁性導(dǎo)電雙梯度的復(fù)合薄膜。復(fù)合膜的斷面形貌直觀地展示CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合膜中FeCo的梯度分布。該復(fù)合薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能和高吸收效能。具有磁性梯度的CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合薄膜，SEA從48.6 dB增加到53.8 dB，SER由7.4 dB減少到 4.2 dB。?FeCo產(chǎn)生的磁損耗對提高微的吸收能力做出了巨大貢獻(xiàn)，電磁雙梯度結(jié)構(gòu)的構(gòu)造進(jìn)一步增強(qiáng)電磁波吸收能力。

圖3. CNF/MXene/FeCo梯度復(fù)合膜的制備示意圖及CNF/MXene(0-5-10-15-100)、 CNF/MXene/FeCo-H、CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合薄膜斷面形貌的表征

圖4. CNF/MXene(0-5-10-15-100)、CNF/MXene/FeCo-H和CNF/MXene/FeCo-G復(fù)合膜的電磁屏蔽性能

圖5. 復(fù)合膜在不同入射方向的EMI SE值

■?研究要點(diǎn)3：

進(jìn)一步闡明過渡層和反射層在梯度結(jié)構(gòu)中的作用，本工作通過改變過渡層和反射層的厚度，研究了過渡層和反射層對復(fù)合膜EMI屏蔽性能的影響。復(fù)合膜的SET不隨過渡層厚度的變化而變化，隨著過渡層厚度的增加，電磁傳輸路徑的延長，這使得電磁波有更多機(jī)會(huì)與MXene和FeCo相互作用衰減，從而SER顯著降低。復(fù)合膜的SET隨反射層厚度的增加而增加，復(fù)合膜的R值保持穩(wěn)定，表明被加反射層阻擋的電磁波在過渡層中被完全吸收和消耗。

圖4. 不同過渡層厚度復(fù)合膜的電磁屏蔽性能

圖7不同反射層厚度復(fù)合膜電磁屏蔽性能. CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜的制備示意圖及斷面形貌

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者通過調(diào)節(jié)過渡層中MXene與FeCo的比例，采用逐層真空過濾的方法制備了具有電磁雙梯度結(jié)構(gòu)的CNF/MXene/FeCo復(fù)合膜。梯度結(jié)構(gòu)可以有效優(yōu)化復(fù)合膜與空氣之間的阻抗匹配，豐富損耗機(jī)理（介電損耗、磁損耗和多次反射損耗），并促進(jìn)更多的電磁波在復(fù)合膜中衰減損耗，從而減少電磁波的反射。梯度結(jié)構(gòu)中的過渡層在改善阻抗匹配、提供介電損耗和磁損耗方面發(fā)揮了重要的作用，而反射層的作用是阻止電磁波穿過材料并提供EMI SE。該不對稱結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)對于制備高性能、低反射EMI屏蔽復(fù)合膜具有重要意義。

■?文章詳情：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722049506