具有灵活Janus结构的复合薄膜,用于实现低反射电磁干扰(EMI)屏蔽、光热转换及红外隐身功能

《Journal of Materials Science & Technology》:Flexible Janus-structured composite films for low-reflection EMI shielding, photothermal conversion, and infrared stealth

【字体: 时间:2026年02月16日 来源:Journal of Materials Science & Technology 14.3

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  低反射电磁屏蔽复合薄膜的Janus结构设计与多功能集成研究,采用羰基铁粉和银包覆碳纤维作为功能填料,通过熔融共混和热压成型制备出具有磁电不对称结构的MC/MA-J复合薄膜,实现了X波段55.27 dB的高屏蔽效能和0.48的低反射系数,同时具备115.1℃的高效光热转换能力及红外隐身特性,并通过结构设计优化电磁波吸收路径。

  
杨彦龙|邵亮|王杰|纪占友|苏成阳|李崇宇
陕西科技大学化学与化学工程学院,中国轻工业化学品添加剂重点实验室,西安710021,中国

摘要

开发低反射电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料对于减轻次级电磁污染至关重要。然而,将高性能的EMI屏蔽功能与光热转换和红外隐身等附加功能集成到柔性复合材料中仍然具有挑战性。在本研究中,制备了一种多功能Janus结构复合薄膜(记为MC/MA-J),该薄膜由羰基铁粉(CIP)、镀银碳纤维(CPAg)、甲基乙烯基硅橡胶和丙烯酸橡胶组成。所得到的MC-5/MA-J复合薄膜在X波段的EMI屏蔽效果达到55.27 dB,同时具有0.48的低反射系数(R)。这种性能源于CIP的协同磁损耗和涡流损耗、CPAg的介电损耗以及Janus结构的磁电不对称性所实现的“吸收-反射-再吸收”机制。此外,该薄膜还具有高效的光热转换性能(在4.5 W cm^-2的功率下可升温至115.1°C),优异的循环稳定性和良好的红外隐身能力,以及出色的机械柔韧性。因此,这种多功能复合薄膜在绿色屏蔽和多功能集成系统中展现出广阔的应用前景。

引言

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)。

部分摘录

MVQ/ACM复合材料的硫化性能和相容性

为了建立稳定的、可加工的Janus结构薄膜基体,首先优化了所选MVQ和ACM之间的相容性。由于它们之间存在固有的极性差异,使用了γ-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)作为增容剂。通过对硫化行为、微观形态和分子动力学模拟的全面分析,确定了MVQ/ACM的最佳混合比为7/3。在这种比例下,复合材料表现出最高的交联

结论

总之,通过熔融混合和热压成功制备了Janus结构的CIP/CPAg/MVQ/ACM多功能复合薄膜。对该材料进行了微观结构、EMI屏蔽、光热转换和红外隐身等方面的系统表征。与传统混合物不同,Janus结构的特点是上层为磁性的CIP/MVQ/ACM层,用于阻抗匹配;下层为导电的CPAg/MVQ/ACM层,用于高效屏蔽。这种结构增强了阻抗匹配和

CRediT作者贡献声明

杨彦龙:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,软件使用,数据管理。邵亮:资源获取,资金筹集。王杰:形式分析,数据管理。纪占友:资源获取,方法设计。苏成阳:验证,概念构思。李崇宇:形式分析,数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(编号52273039和22208202)以及陕西省“科学家+工程师”团队建设项目(编号2025 QCY-KXJ-123)的支持。
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