新材料令電磁波輻射“聞風(fēng)喪膽”
[導(dǎo)讀]隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁波輻射被認(rèn)為是繼水污染、噪音污染、空氣污染后的第四大公害。 電子器件發(fā)射的高頻電磁波不僅會(huì)導(dǎo)致電子器件的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還能影響到人們的正常生活，甚至?xí){國(guó)
隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁波輻射被認(rèn)為是繼水污染、噪音污染、空氣污染后的第四大公害。
電子器件發(fā)射的高頻電磁波不僅會(huì)導(dǎo)致電子器件的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還能影響到人們的正常生活，甚至?xí){國(guó)家的軍事機(jī)密。比如，高頻電磁波輻射可以影響甚至破壞軍事設(shè)備的敏感器件，使無(wú)線電通訊指揮系統(tǒng)、現(xiàn)代化武器作戰(zhàn)平臺(tái)失效或者失控。
此外，電子設(shè)備發(fā)射的電磁波可能誘發(fā)某些疾病，如睡眠不足、頭暈、嘔吐，嚴(yán)重的可能誘發(fā)癌癥、心血管疾病等。
因此，電磁屏蔽/吸波材料的研究開(kāi)發(fā)一直備受世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
石墨烯帶來(lái)驚喜
所謂的電磁屏蔽/吸波材料主要包括金屬和高分子復(fù)合材料。傳統(tǒng)的金屬基電磁屏蔽材料存在密度大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題，并且應(yīng)用也受到限制。
可喜的是，聚合物/吸收劑復(fù)合材料具有很好的可設(shè)計(jì)性，可以部分解決金屬基電磁屏蔽材料存在的技術(shù)瓶頸。其中，具有微發(fā)泡結(jié)構(gòu)的聚合物基電磁屏蔽/吸波材料是近幾年該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。
理由是：泡孔結(jié)構(gòu)不僅賦予電磁屏蔽/吸波材料輕質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)泡過(guò)程產(chǎn)生的雙向牽伸作用還有利于二次分散聚合物基體中的吸收劑。同時(shí)，泡孔結(jié)構(gòu)的引入可以使進(jìn)入材料的電磁波陷入“迷宮結(jié)構(gòu)”中，從而顯著地提升材料的電磁屏蔽效能，有效防止材料的電磁泄漏。
不過(guò)，聚合物樹(shù)脂本身卻并沒(méi)有電磁屏蔽/吸波性能，必須通過(guò)外加大量的吸收劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如鐵氧體類或者碳材料類等，但這些吸收劑均與聚合物基體不相容性，從而導(dǎo)致吸收劑不能被聚合物基體完全浸潤(rùn)。
而對(duì)于聚合物復(fù)合材料發(fā)泡來(lái)說(shuō)，大量吸收劑的添加不僅增加了基體中缺陷的數(shù)量，還增強(qiáng)了復(fù)合材料的剛度，而這直接導(dǎo)致大量的發(fā)泡劑不能用于材料的膨脹，因此，高填充聚合物復(fù)合材料發(fā)泡變得異常困難。
作為大比表面的碳材料—石墨烯具有良好的電磁屏蔽/吸波性能。特別是采用CVD等方法制備的石墨烯性能幾乎接近“完美”，與聚合物沒(méi)有親和性，且在聚合物基體中很難均勻分散。
筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)調(diào)控氧化石墨中的可揮發(fā)物質(zhì)的含量，成功實(shí)現(xiàn)了氧化石墨的低溫常壓剝離，制備了含有大量含氧基團(tuán)的氧化石墨烯，并已成功申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利。
聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料顯威力
利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團(tuán)，中科院寧波材料所的研究人員通過(guò)共混手段改善了氧化石墨烯在熱塑性聚酰亞胺樹(shù)脂中的分散，并通過(guò)相分離工藝成功在聚酰亞胺/氧化石墨烯復(fù)合材料中引入了均勻泡孔結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物微發(fā)泡過(guò)程原位形成的拉伸作用不但有助于石墨烯的二次分散，還促進(jìn)了石墨烯圍繞泡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行取向。微發(fā)泡材料中氧化石墨烯的添加量可以 高至10wt%，材料的密度為0.3g/cm3左右，材料在X波段的平均比電磁屏蔽效能為36.4dB/（g/cm3）。
不過(guò)，研究人員也注意到，聚合物微發(fā)泡過(guò)程中，材料體積會(huì)增加，吸收劑體積會(huì)降低。而這直接損害了聚合物微發(fā)泡電磁屏蔽/吸波材料的效能。
為了進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，研究人員在石墨烯表面原位合成了納米四氧化三鐵，利用上述復(fù)合納米材料的電磁匹配，成功制備了電磁屏蔽性能更為優(yōu)異的聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料，比電磁屏蔽效能由36.4 dB/（g/cm3）增加至41.5 dB/（g/cm3）。
更為難得的是，復(fù)合納米材料的電磁性能匹配特點(diǎn)使聚合物微發(fā)泡材料吸收更多的電磁波，而不是反射電磁波，這無(wú)疑再次降低了電磁波對(duì)環(huán)境的二次污染。
未來(lái)，電子產(chǎn)品的尺寸將越來(lái)越小、電子器件的集成度也會(huì)越來(lái)越高，這勢(shì)必要求電子屏蔽/吸波材料朝著“質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬、吸收強(qiáng)”的方向發(fā)展。
中 科院寧波材料所研究人員利用聚合物微發(fā)泡技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了聚合物功能微發(fā)泡薄膜和功能微發(fā)泡板材材料。所使用的聚合物基體可以是高性能聚酰亞胺樹(shù)脂，也可以 是柔性聚氨酯熱塑彈性體樹(shù)脂。所開(kāi)發(fā)的材料可以用于雷達(dá)透波材料、手機(jī)電子支付吸波材料、吸波貼片、隱身結(jié)構(gòu)功能一體化材料等多個(gè)新材料領(lǐng)域。
電子器件發(fā)射的高頻電磁波不僅會(huì)導(dǎo)致電子器件的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還能影響到人們的正常生活，甚至?xí){國(guó)家的軍事機(jī)密。比如，高頻電磁波輻射可以影響甚至破壞軍事設(shè)備的敏感器件，使無(wú)線電通訊指揮系統(tǒng)、現(xiàn)代化武器作戰(zhàn)平臺(tái)失效或者失控。
此外，電子設(shè)備發(fā)射的電磁波可能誘發(fā)某些疾病，如睡眠不足、頭暈、嘔吐，嚴(yán)重的可能誘發(fā)癌癥、心血管疾病等。
因此，電磁屏蔽/吸波材料的研究開(kāi)發(fā)一直備受世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
石墨烯帶來(lái)驚喜
所謂的電磁屏蔽/吸波材料主要包括金屬和高分子復(fù)合材料。傳統(tǒng)的金屬基電磁屏蔽材料存在密度大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題，并且應(yīng)用也受到限制。
可喜的是，聚合物/吸收劑復(fù)合材料具有很好的可設(shè)計(jì)性，可以部分解決金屬基電磁屏蔽材料存在的技術(shù)瓶頸。其中，具有微發(fā)泡結(jié)構(gòu)的聚合物基電磁屏蔽/吸波材料是近幾年該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。
理由是：泡孔結(jié)構(gòu)不僅賦予電磁屏蔽/吸波材料輕質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)泡過(guò)程產(chǎn)生的雙向牽伸作用還有利于二次分散聚合物基體中的吸收劑。同時(shí)，泡孔結(jié)構(gòu)的引入可以使進(jìn)入材料的電磁波陷入“迷宮結(jié)構(gòu)”中，從而顯著地提升材料的電磁屏蔽效能，有效防止材料的電磁泄漏。
不過(guò)，聚合物樹(shù)脂本身卻并沒(méi)有電磁屏蔽/吸波性能，必須通過(guò)外加大量的吸收劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如鐵氧體類或者碳材料類等，但這些吸收劑均與聚合物基體不相容性，從而導(dǎo)致吸收劑不能被聚合物基體完全浸潤(rùn)。
而對(duì)于聚合物復(fù)合材料發(fā)泡來(lái)說(shuō)，大量吸收劑的添加不僅增加了基體中缺陷的數(shù)量，還增強(qiáng)了復(fù)合材料的剛度，而這直接導(dǎo)致大量的發(fā)泡劑不能用于材料的膨脹，因此，高填充聚合物復(fù)合材料發(fā)泡變得異常困難。
作為大比表面的碳材料—石墨烯具有良好的電磁屏蔽/吸波性能。特別是采用CVD等方法制備的石墨烯性能幾乎接近“完美”，與聚合物沒(méi)有親和性，且在聚合物基體中很難均勻分散。
筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)調(diào)控氧化石墨中的可揮發(fā)物質(zhì)的含量，成功實(shí)現(xiàn)了氧化石墨的低溫常壓剝離，制備了含有大量含氧基團(tuán)的氧化石墨烯，并已成功申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利。
聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料顯威力
利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團(tuán)，中科院寧波材料所的研究人員通過(guò)共混手段改善了氧化石墨烯在熱塑性聚酰亞胺樹(shù)脂中的分散，并通過(guò)相分離工藝成功在聚酰亞胺/氧化石墨烯復(fù)合材料中引入了均勻泡孔結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物微發(fā)泡過(guò)程原位形成的拉伸作用不但有助于石墨烯的二次分散，還促進(jìn)了石墨烯圍繞泡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行取向。微發(fā)泡材料中氧化石墨烯的添加量可以 高至10wt%，材料的密度為0.3g/cm3左右，材料在X波段的平均比電磁屏蔽效能為36.4dB/（g/cm3）。
不過(guò)，研究人員也注意到，聚合物微發(fā)泡過(guò)程中，材料體積會(huì)增加，吸收劑體積會(huì)降低。而這直接損害了聚合物微發(fā)泡電磁屏蔽/吸波材料的效能。
為了進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，研究人員在石墨烯表面原位合成了納米四氧化三鐵，利用上述復(fù)合納米材料的電磁匹配，成功制備了電磁屏蔽性能更為優(yōu)異的聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料，比電磁屏蔽效能由36.4 dB/（g/cm3）增加至41.5 dB/（g/cm3）。
更為難得的是，復(fù)合納米材料的電磁性能匹配特點(diǎn)使聚合物微發(fā)泡材料吸收更多的電磁波，而不是反射電磁波，這無(wú)疑再次降低了電磁波對(duì)環(huán)境的二次污染。
未來(lái)，電子產(chǎn)品的尺寸將越來(lái)越小、電子器件的集成度也會(huì)越來(lái)越高，這勢(shì)必要求電子屏蔽/吸波材料朝著“質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬、吸收強(qiáng)”的方向發(fā)展。
中 科院寧波材料所研究人員利用聚合物微發(fā)泡技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了聚合物功能微發(fā)泡薄膜和功能微發(fā)泡板材材料。所使用的聚合物基體可以是高性能聚酰亞胺樹(shù)脂，也可以 是柔性聚氨酯熱塑彈性體樹(shù)脂。所開(kāi)發(fā)的材料可以用于雷達(dá)透波材料、手機(jī)電子支付吸波材料、吸波貼片、隱身結(jié)構(gòu)功能一體化材料等多個(gè)新材料領(lǐng)域。
電磁波在聚合物微發(fā)泡電磁屏蔽材料中的傳播
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