可控电磁双梯度的CNF/MXene/FeCo高吸收电磁屏蔽复合材料

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研究速览

■ 近日，浙江工业大学王旭教授、马猛副教授团队，在Chemical Engineering Journal期刊上发表题为“Cellulose nanofiber/MXene/FeCo composites with gradient structure for highly absorbed electromagnetic interference shielding”的研究论文。该工作利用纤维素纳米纤维（CNF）、MXene和FeCo，通过逐层真空过滤的方法，构建了一种具有可控电磁双梯度结构的优良EMI SE和低电磁波反射复合膜。

▉  研究摘要  ▉

■ 5G时代推动了电子电气设备的快速发展，大量新兴电子电气设备涌入人类的交通、通信、家用电器等生活中的每个角落，为生活带来了便利。但是，同时也产生了更多的电磁(EM)辐射，引发了一系列的环境问题和社会问题。高效的电磁屏蔽材料可以有效的减轻或消除电磁辐射带来的影响。导电聚合物复合材料(CPCs)在电磁干扰(EMI)屏蔽领域受到了广泛关注。然而，这些材料存在着高电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)和低电磁波反射的内在矛盾。如何设计开发一种轻薄、高效能同时兼具低反射特性的电磁屏蔽材料仍是一项重要挑战。

■ 鉴于此，浙江工业大学王旭教授、马猛副教授课题组报道了一种以纤维素纳米纤维(CNF)、MXene和FeCo为材料，采用逐层真空过滤的方法制的具有可控电磁双梯度结构的高电磁干扰屏蔽和低电磁波反射性能优异的复合薄膜。得益于梯度结构的过渡层和反射层的协同作用，复合膜具有良好的阻抗匹配、丰富的损耗机制和高效的EMI屏蔽能力，从而实现了吸收为主的屏蔽特性。此外，梯度结构促进了电磁波进入复合薄膜时的“吸收-反射-再吸收”过程。制备的CNF/MXene/FeCo-G复合膜具有显著的电磁干扰SE为58.0 dB，反射系数(R)低至0.61。结果表明，增厚过渡层可以提高电磁波吸收能力，随着反射层的增厚，电磁干扰SE得到改善。

■ 研究要点1：

本工作利用真空辅助抽滤制备CNF/MXene/FeCo复合膜，与CNF/FeCo复合膜相比，当MXene在复合膜中比例增加时，FeCo团聚现象减弱，复合膜的层状结构变得更清晰。MXene提高了FeCo的分散性。对CNF/MXene和CNF/MX-ene/FeCo的吸收效能和反射效能进行比较，CNF/MXene/FeCo复合膜在X波段表现出更好的EMI SE，证明FeCo带来的磁损耗增强了复合膜吸收电磁波的能力。

图1. CNF/MXene/FeCo复合膜的制备示意图及断面形貌

图2. CNF/MXene和CNF/MXene/FeCo的电磁屏蔽性能

■ 研究要点2：

简单地引入磁性粒子并不是增强电磁波吸收能力的合适手段。本工作进一步构建了一种具有磁性导电双梯度的复合薄膜。复合膜的断面形貌直观地展示CNF/MXene/FeCo-G复合膜中FeCo的梯度分布。该复合薄膜表现出优异的电磁屏蔽性能和高吸收效能。具有磁性梯度的CNF/MXene/FeCo-G复合薄膜，SEA从48.6 dB增加到53.8 dB，SER由7.4 dB减少到 4.2 dB。 FeCo产生的磁损耗对提高微的吸收能力做出了巨大贡献，电磁双梯度结构的构造进一步增强电磁波吸收能力。

图3. CNF/MXene/FeCo梯度复合膜的制备示意图及CNF/MXene(0-5-10-15-100)、 CNF/MXene/FeCo-H、CNF/MXene/FeCo-G复合薄膜断面形貌的表征

图4. CNF/MXene(0-5-10-15-100)、CNF/MXene/FeCo-H和CNF/MXene/FeCo-G复合膜的电磁屏蔽性能

图5. 复合膜在不同入射方向的EMI SE值

■ 研究要点3：

进一步阐明过渡层和反射层在梯度结构中的作用，本工作通过改变过渡层和反射层的厚度，研究了过渡层和反射层对复合膜EMI屏蔽性能的影响。复合膜的SET不随过渡层厚度的变化而变化，随着过渡层厚度的增加，电磁传输路径的延长，这使得电磁波有更多机会与MXene和FeCo相互作用衰减，从而SER显著降低。复合膜的SET随反射层厚度的增加而增加，复合膜的R值保持稳定，表明被加反射层阻挡的电磁波在过渡层中被完全吸收和消耗。

图4. 不同过渡层厚度复合膜的电磁屏蔽性能

图7不同反射层厚度复合膜电磁屏蔽性能. CNF/MXene/FeCo复合膜的制备示意图及断面形貌

▉  研究总结  ▉

■ 作者通过调节过渡层中MXene与FeCo的比例，采用逐层真空过滤的方法制备了具有电磁双梯度结构的CNF/MXene/FeCo复合膜。梯度结构可以有效优化复合膜与空气之间的阻抗匹配，丰富损耗机理（介电损耗、磁损耗和多次反射损耗），并促进更多的电磁波在复合膜中衰减损耗，从而减少电磁波的反射。梯度结构中的过渡层在改善阻抗匹配、提供介电损耗和磁损耗方面发挥了重要的作用，而反射层的作用是阻止电磁波穿过材料并提供EMI SE。该不对称结构的协同效应对于制备高性能、低反射EMI屏蔽复合膜具有重要意义。

■ 文章详情：

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