航空航天和无线通信技术的快速发展导致了高频、高度集成电子设备的广泛采用,从而加剧了人们对电磁干扰(EMI)的关注[[1], [2], [3], [4]]。EMI不仅会损害设备功能和信息安全,还可能对健康构成潜在威胁,因此迫切需要高性能的屏蔽材料。轻质、柔性和可加工的导电聚合物复合材料(CPCs)是很有前景的候选材料[5,6]。然而,CPCs与自由空间之间的固有阻抗不匹配通常会导致强烈的电磁波反射,从而引发次级污染[[7], [8], [9]]。因此,实现高屏蔽效果(SE)和低反射率(R < 0.5)是一个关键挑战[10,11]。
减轻反射的主要策略是提高材料本身的吸波能力[12]。这可以通过结合导电填料和磁性填料来实现,从而产生协同的介电损耗和磁损耗,进而改善阻抗匹配和吸收效率[13,14]。例如,设计异质结构填料或优化其空间分布可以增强吸收效果同时减少反射[15,16]。然而,传统混合物常常面临填料分散性差、界面缺陷以及在高负载下机械性能下降等问题。因此,有效的解决方案不仅需要合理选择和修改填料,还需要将其整合到合适的聚合物基体中。一方面,界面工程对填料性能至关重要。碳纤维(CFs)由于其高长径比、导电性和低成本而具有很大的潜力[17,18],但其惰性表面限制了与聚合物的兼容性。尽管多巴胺(PDA)涂层提供了仿生粘附性,但其高昂的成本和漫长的加工时间阻碍了其规模化应用[19]。相比之下,聚(儿茶酚-聚胺)(PCPA)提供了一种更高效且成本更低的替代方案,它模仿了PDA的粘附性能,使得银涂层CFs等高性能混合填料得以实现强化的表面功能化[20,21]。另一方面,聚合物基体必须具备可加工性、柔韧性和耐用性。甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)环保且柔韧[22],但在可加工性和热稳定性方面存在局限性。将其与丙烯酸橡胶(ACM)混合可以创造出适合柔性电子产品的平衡且易于加工的基体。
然而,仅依靠组分优化往往无法精确控制电磁波的传播和耗散路径。因此,宏观结构设计已成为一种重要的补充策略[23,24]。通过调整材料内部空间结构,已经探索了多种设计方法,如梯度结构和多孔结构,以优化电磁参数的分布[25,26]。其中,Janus结构尤为突出,它成功地在高屏蔽效果的同时显著降低了反射率。这种结构通过其空间有序的功能层,引导入射电磁波经过连续的“吸收-反射-再吸收”耗散过程[27,28]。最新研究表明,这种结构范式可以有效协调吸收和反射机制,为低反射电磁屏蔽提供了可行的途径[[29], [30], [31]]。此外,Janus结构在功能集成方面也具有独特优势,为将高效光热转换和红外隐身等附加功能集成到单一材料系统中提供了多功能平台[[32], [33], [34], [35]]。尽管取得了这些进展,同时实现高效低反射屏蔽、稳定多功能性和优异机械性能的材料制备仍然是一个重要的未解决挑战。
在本研究中,通过熔融混合羰基铁粉(CIP)和MVQ及ACM形成了阻抗匹配层,以提高电磁波吸收效果;同时通过将镀银碳纤维(CPAg,图1a)引入橡胶基体中形成了导电屏蔽层(促进反射)。随后,利用热压技术成功制备了多功能Janus结构的CIP/CPAg/MVQ/ACM(MC/MA-J)复合薄膜(图1c)。我们系统地研究了这种Janus复合薄膜的EMI屏蔽性能,并阐明了关键参数的影响机制,包括磁层与导电层厚度比以及入射波方向。实验结果表明,这种Janus复合薄膜不仅具有优异的EMI屏蔽性能,还表现出高效的光热转换效率和良好的红外隐身特性。因此,本研究制备的低反射率和高屏蔽性能的多功能薄膜在电磁防护领域具有广泛的应用前景(图1d)。