《Composites Communications》：Lightweight and flexible aramid/carbon fiber composite films for high-performance electromagnetic shielding
编辑推荐：
碳纤维毡/杂环芳香族酰胺复合薄膜通过浸渍法改善机械性能和电磁屏蔽效能，兼具轻量化、柔韧性和优异环境适应性，热稳定性达460°C，LOI 46%，总屏蔽效能80dB。
作者：罗涵（Ran He）、施家全（Shijia Quan）、赵霞国（Zhao-Xia Guo）、郭宝华（Baohua Guo）、涂新林（Xinlin Tuo）
中国清华大学化学工程系先进材料国家重点实验室，北京 100084
摘要
随着电子通信技术的进步，迫切需要高性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料，这些材料需要具备优异的屏蔽效果、轻质、良好的柔韧性和强度以及环境适应性，以应对日益严重的电磁污染。碳纤维毡（CFFs）是通过真空辅助过滤短碳纤维（SCF）分散体制备而成的，是一种有前景的EMI屏蔽材料。然而，它们存在结构松散和机械性能较差的问题。本文通过将杂环芳酰胺（HA）溶液浸渍到CFFs的纤维网络中，改善了其机械性能和EMI屏蔽效果，同时保持了良好的环境适应性。SCF/HA薄膜的拉伸强度可达60 MPa，同时仍保持良好的柔韧性。它们具有优异的热稳定性，在460°C以下几乎不损失重量，并且具有高达46%的阻燃性能（LOI），显示出极佳的环境适应性。SCF/HA薄膜的总EMI屏蔽效果可接近80 dB，这归功于CFFs在薄膜内部提供了许多阻抗特性不匹配的界面，以及HA对SCF的粘合作用缩短了SCF之间的间距；前者保证了复合材料的高导电性，提高了反射和吸收屏蔽效果，而后者则通过内部散射有效增强了吸收屏蔽效果。SCF/HA薄膜在高科技领域作为柔性EMI屏蔽材料具有巨大潜力。
引言
随着无线通信技术的快速发展，日益严重的电磁污染已成为现代社会的主要问题[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。探索兼具优异电磁屏蔽性能、轻质、良好机械性能（包括强度和柔韧性）以及环境适应性的先进EMI屏蔽材料比以往任何时候都更为重要。目前，金属及其合金是最常用的EMI屏蔽材料，因为它们具有优异的导电性或高磁导率。然而，传统金属材料存在一些明显缺点，如重量大、耐腐蚀性差、柔韧性低和加工成本高，限制了它们在高科技领域的应用。碳材料，如碳纤维（CF）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯，在EMI屏蔽领域受到了越来越多的关注[4]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，因为它们具有优异的导电性、轻质、耐腐蚀性、良好的低温和高温耐受性以及出色的阻燃性。与CNTs和石墨烯相比，CF在成本上具有显著优势，因为它可以通过成熟的工业工艺大规模生产。碳纤维毡（CFFs）是通过真空辅助过滤短碳纤维（SCF）分散体制备而成的，在作为EMI屏蔽材料方面展现出巨大潜力，这归功于其结构良好的导电网络[16]、[17]、[18]。在初步研究中，我们发现纯CFFs的机械性能较差，因为SCFs的堆积较为松散，既不坚固也不柔韧，实际使用时需要支撑材料。为了提高CFFs的机械性能，制备聚合物复合材料是必要的，其中聚合物作为CFFs的粘合剂。
CFF/杂环芳酰胺（HA）复合材料有望具备优异的整体性能，特别是良好的环境适应性，因为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PPTA）以其良好的机械性能和出色的耐温及阻燃性能而闻名。然而，PPTA难以熔化，且不易溶于常见的有机溶剂（如N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中，因此很少被用作CFFs的聚合物粘合剂。先前的研究[19]、[20]、[21]表明，PPTA与杂环芳酰胺（HA）的共聚物提高了溶解性，从而改善了加工性能。HA的DMAc溶液具有优异的成膜能力，制备出的HA薄膜既坚固又柔韧[21]。HA保留了PPTA的优异低温和高温耐受性，其阻燃性能甚至优于PPTA[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。最近的研究表明，HA可以有效粘合CFs和CF织物，制备出兼具柔韧性、强度和极端环境适应性的先进高科技材料[23]。熊等人[29]使用HA克服了MXene的缺点，制备出了具有优异性能的仿生结构HA/MXene复合薄膜。因此，HA被认为是一种有前景的聚合物，可以用于制备具有多性能整合的SCF/杂环芳酰胺复合材料。
在本研究中，选择HA来提高CFFs的机械性能，同时改善EMI屏蔽效果并保持良好的环境适应性。本研究旨在解决的关键科学问题是通过杂环芳酰胺粘合SCF毡，以及芳酰胺与SCF之间的界面相互作用对复合薄膜导电网络和屏蔽性能的影响，以最大限度地发挥CF和杂环芳酰胺的耐温及阻燃性能优势。设计原则是利用HA克服用PPTA粘合CFF的困难，通过溶液浸渍法实现SCF毡与杂环芳酰胺的粘合。本研究的目标是通过系统评估HA含量对CFF/HA复合薄膜多性能的影响，明确结构-性能关系，并获得轻质、柔韧且具有优异环境适应性的EMI屏蔽材料，以应用于高科技领域。与传统的聚合物粘合剂（如聚乙烯醇）相比，HA的独特优势不仅在于良好的环境适应性，还在于良好的柔韧性。与我们在之前的工作[23]中获得的CF/HA复合织物相比，SCF/HA复合薄膜更薄、更柔韧，因此更适合用作高科技领域的柔性EMI屏蔽材料。
材料
N,N-二甲基乙酰胺（DMAc，HPLC纯度≥99.9%）购自Energy Chemical，并经过4?分子筛脱水处理（上海Titan Scientific有限公司提供）。对苯二胺（PPD，聚合级）和对苯二甲酰氯（TPC，聚合级）分别购自Amino-Chem有限公司和山东凯盛新材料有限公司，按原样使用。2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑（APBZ，分析级）购自常州Sunlight公司
SCF/HA复合薄膜的制备与形态
SCF/HA复合薄膜是通过浸渍法制备的，以CFFs为骨架，HA为粘合剂。制备的关键步骤是将SCFs分散在水中。只有高度分散的SCF分散液才能得到均匀分布的CFFs。使用如PEO这样的分散剂是必不可少的，PEO的摩尔质量对SCFs在水中的分散至关重要。如图S1所示，高摩尔质量的PEO（4000 K）比低摩尔质量的PEO具有更好的分散效果结论
通过将HA溶液浸渍到CFFs的纤维网络中，可以成功制备出兼具EMI屏蔽效果、轻质、良好机械性能（包括强度和柔韧性）以及环境适应性的SCF/HA复合薄膜，从而克服了纯CFFs的机械性能较差的缺点。这些薄膜不仅具有良好的柔韧性、可弯曲性、可卷曲性和可折叠性，还具有较高的拉伸强度，其拉伸强度可达60 MPa。
作者贡献声明
涂新林（Xinlin Tuo）：项目监督与资金获取。郭宝华（Baohua Guo）：项目管理。赵霞国（Zhao-Xia Guo）：撰写、审稿与编辑、监督。施家全（Shijia Quan）：数据可视化、实验研究、数据管理。罗涵（Ran He）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据管理、概念构思
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（项目编号：52073154）的财政支持。
