吉林大學王策&盧曉峰:高性能屏蔽電磁幹擾的輕質柔性電紡膜

2021-01-10 易絲幫

隨著現代電子和大型集成電路的電信技術的迅速發展，各種頻率不同能量的電磁輻射已經成為除噪聲、水和空氣汙染之外的一種新汙染源。對高靈敏度的電子設備以及周圍環境造成很大的幹擾。為了抵抗日益嚴重的輻射汙染，高性能電磁幹擾（EMI）屏蔽材料十分必要。然而，在實際應用中，製備具有高效、輕質和柔性的EMI屏蔽材料是一項巨大的挑戰。

近日，吉林大學王策教授和盧曉峰教授（共同通訊作者）團隊發表了最新研究成果「Lightweight and flexible electrospun polymer nanofiber/metal nanoparticle hybrid membrane for high-performance electromagnetic interference shielding」。科研人員採用簡便、有效的方法，通過靜電紡絲和無電沉積工藝，製備出自支撐、輕質、柔性的交聯聚丙烯腈(CPAN)納米纖維(NF)/金屬納米粒子(MNP)雜化膜。與Cu和Ni裝飾的CPAN NF膜相比，所得CPAN NF/Ag納米顆粒(NP)雜化膜表現出更好的導電性。此外，輕質CPAN NF/Ag NP混合膜（53μm）具有優異的EMI屏蔽效能約為90 dB，優於純金屬和大多數合成EMI屏蔽材料。優異的EMI屏蔽效率歸因於MNP的高導電性和混合NF膜中有利的多孔結構。此外，所得CPAN NF/MNP雜化膜顯示出較好的機械強度和優異的柔韌性。聚合物NF/MNP雜化膜在智能可攜式和可穿戴電子設備中具有潛在的應用前景。

圖1：CPANNF/MNP混合納米纖維膜的製造和形態。

通過靜電紡絲技術和後處理製備CPAN NF膜。SEM圖像顯示在PAN膜的產品中觀察到平滑和交錯的3D網絡PAN NF，平均直徑為235±4nm（圖1b）。在交聯反應之後，所得的黃色CPAN纖維變得更加纏繞，並且它們的平均直徑略微增加至293±3nm，而它們的表面仍然是光滑的（圖1c）。SEM圖像顯示，MNP在各個纖維上有規律且緊密地分布，提供交錯和互連的高導電3D網絡高速公路，用於電子傳輸，這意味著它們具有EMI屏蔽應用的潛力。

圖2：CPANNF/MNP雜化膜的表徵和表面組成。

CPAN NF/Ag NP，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜的XRD光譜揭示了雜化物中Ag，Cu和Ni NPs的典型面心立方結構的形成（圖2a)。 圖2b顯示了相似金屬層厚度和膜厚度的CPAN NF/Ag NP，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜的表面電導率。CPAN NF/Ag NP雜化膜在所有製備的NF膜中表現出最高的電導率，達到5.6×104 S cm-1。 CPAN NF/Ag NP雜化膜的優異導電性應歸因於Ag的固有高電導率和CPAN NF表面上連續Ag組分的形成。相比之下，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜的電導率相對較低，分別為6.4×103和1.3×103 S cm-1。與CPAN NF/Ag NP雜化膜相比，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜的電導率降低可能是由於在Cu和Ni表面形成電絕緣金屬氧化物層。

圖3：CPANNF/MNP混合膜的EMI屏蔽性能。

作者研究了CPAN NF/Ag NP，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜在相似膜厚度~35μm的X波段頻率範圍（8-12.4 GHz），Ku波段頻率範圍（12-18 GHz）和K波段頻率範圍（18-26.5 GHz的EMI屏蔽能力。如圖3a所示，EMI SE隨頻率的增加而增加。此外，EMI SE與電導率強烈相關。因此，具有最佳導電性的CPAN NF/Ag NP雜化膜顯示出最高的EMI SE值約為83.7 dB。根據之前的報導，製備的CPAN NF/Ag NP雜化膜的EMI SE值為83.7 dB，厚度為~35μm，可以阻擋超過99.999999％的入射輻射，這意味著只有0.000001％的入射輻射透射率occurs3。與CPAN NF/Ag NP雜化膜相比，CPAN NF/Cu NP和CPAN NF/Ni NP雜化膜具有相對低的電導率，因此顯示出降低的EMI SE值。

圖4：不同CPANNF/AgNP混合膜的EMI屏蔽性能以及與其他EMI屏蔽材料的比較。

然後，研究者考察了導電金屬的密度對CPAN NF表面的影響，證明了具有不同無電沉積時間的CPAN NF/MNP雜化膜的實驗EMI SE結果（圖4a）。EMI SE隨著無電沉積時間從30到90分鐘的增加而增加，這與它們的電導率的趨勢一致。

圖5：製備的CPANNF/AgNP雜化膜的機械和柔性特性。

此外，製備的CPAN NF/MNP雜化膜在變形下表現出良好的機械性能和優異的穩定性，展現出其優異的柔韌性。優異的機械和柔韌性能使聚合物NF/MNP膜的潛在應用成為下一代柔性電子產品的高性能EMI屏蔽材料。因此，輕質和柔性電紡聚合物NF/MNP混合膜具有卓越的EMI屏蔽性能，在航空航天，國防，智能和可穿戴電子產品等眾多領域具有潛在的應用前景。

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