具有分离导电网络的聚酰亚胺复合泡沫的非对称结构设计，以实现高效的电磁波吸收和屏蔽效果

本研究开发了一种由 segregation PI/CNT 泡沫与高导电性银层组成的不对称复合材料，通过摩擦吸附、热粘嵌、真空辅助热压及喷涂技术实现。该材料在X波段表现出优异的电磁波衰减特性，反射损耗低至0.07，总电磁屏蔽效能达101.2–106.6 dB，同时具有高热稳定性（Tg 401°C，T5% 533°C），为先进工业领域提供了新型轻质屏蔽材料。

　　

孙斌斌|罗银福|夏双|陈阳|周胜泰|邹华为

中国四川省成都市四川大学高分子研究所先进高分子材料国家重点实验室，610065

摘要

具有优异电磁波吸收特性的轻质电磁干扰（EMI）屏蔽复合材料对电子设备特别具有吸引力。本文介绍了一种创新策略，通过摩擦电吸附、热粘合嵌入、真空辅助热压和喷涂技术相结合的方法，制备了由聚酰亚胺（PI）/碳纳米管（CNT）分离泡沫和导电银（Ag）层组成的不对称复合泡沫。这种分离的PI/CNT泡沫具有密集连接的CNT通道，其玻璃化转变温度（Tg）为401°C，5%重量损失温度（T_5%）为533°C。该泡沫表现出优异的电磁波衰减能力，样品厚度为3.2 mm时反射损耗达到-62.2 dB。在-60°至60°的宽θ范围内，模拟雷达截面积值低于-20 dB/m²，在θ=0°时达到最大衰减值-40.73 dB/m^{2_T）达到101.2–106.6 dB，反射效率（SE_R）仅为0.9–1.9 dB。优化后的复合泡沫平均反射率为0.17，最低反射率为0.07，在具有相似屏蔽效率的EMI屏蔽材料中树立了新的标杆。本研究为开发高吸附性能的屏蔽材料提供了方向，这些材料在尖端领域具有广阔的应用前景。}

引言

由于5G通信、军事雷达探测和人工智能技术的快速发展，对具有强波吸收特性的轻质电磁干扰（EMI）屏蔽材料的需求日益迫切[1]、[2]、[3]。导电聚合物复合材料（CPCs）因其耐腐蚀、轻质和可调性而成为有前景的候选材料[4]、[5]。将高导电纳米填料（如银纳米线（AgNWs）和二维过渡金属碳化物（MXenes）掺入CPCs中，可显著提高EMI屏蔽效率（SE）[6]、[7]、[8]。然而，过高的导电性会导致空气与材料表面之间的阻抗不匹配，导致大量电磁波被反射（超过90%），从而加剧二次电磁污染。因此，迫切需要开发同时具备高效EMI屏蔽效率和强吸收特性的CPC材料[9]、[10]、[11]。

根据传输理论，电磁波通过电损耗、磁损耗和介电损耗被衰减，优异的电导率是实现高EMI屏蔽效率的关键因素[12]、[13]。相反，电磁波的强吸收性能依赖于介电损耗和可调磁性，这些特性与材料的磁导率、介电常数和厚度密切相关。为了提高电磁波吸收效果并促进自然共振和涡流损耗，已将高磁导率材料引入CPCs[14]、[15]、[16]。然而，这些材料的EMI屏蔽效率较低。要实现中等以上的屏蔽效率（SE>40 dB），通常需要使用厚材料和高填料含量，但这会导致加工性能下降、机械性能减弱和成本增加[17]、[18]。此外，大多数具有改进电磁波衰减能力的CPCs含有混合磁性纳米颗粒（如Ni@CNT）或单一类型的磁性/导电纳米填料，由于其均匀结构，会导致阻抗不匹配问题。同时实现高EMI屏蔽效率和低反射损耗仍面临挑战[19]、[20]、[21]。

最近，提出了多种结构，包括复合泡沫、分离结构和多层结构，以解决高屏蔽效率和低反射率之间的矛盾[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。分离结构和CPC泡沫通过多次反射和散射，在极低的填料含量下有效增强电磁波耗散并调节阻抗匹配。此外，蜂窝状结构降低了屏蔽材料的体积密度和体积，扩大了其应用范围。李等人制备了一种定向结构的分离UHMWPE/CNT网络，其EMI屏蔽效率约为26 dB，反射率为0.3[28]。王等人报道，含有5% wt% CNT的CNT/聚醚-酰胺（poly(ether-block-amide）泡沫的EMI屏蔽效率约为41 dB，反射率为0.3[29]。

在低填料含量的情况下，在基体中建立致密连续的导电网络是制备分离多孔CPCs的关键挑战。使用更多导电填料虽然可以提高EMI屏蔽效率，但通常会提高反射率。例如，含有15% wt% CNT的分离UHMWPE/CNT复合材料的EMI屏蔽效率超过80 dB，反射率为0.8[30]。此外，这些复合泡沫的导热性能有限，限制了其在航空航天、航空、通信系统和微电子技术中的应用。

聚酰亚胺（PI），尤其是热固性PI，在制备EMI屏蔽泡沫方面具有显著优势，其独特的芳香族分子链结构赋予了材料高耐热性、阻燃性和机械稳定性[31]、[32]、[33]、[34]。李等人通过1200°C碳化热固性PI泡沫制备了轻质碳泡沫，该碳泡沫的EMI屏蔽效率约为50 dB，反射率为0.84[35]。泡沫密度低于0.1 g/cm^?3，在10%应变下压缩强度和模量分别达到约0.3 MPa和3 MPa。为了实现低反射率，需要精细调节材料的磁导率和介电常数，并同时降低有效介电常数以确保阻抗匹配。然而，由于电磁波衰减能力有限，这些材料难以达到满意的屏蔽效率。CNT/石墨烯（GO）/PI复合泡沫在X波段的吸收功率可达约0.83，但EMI屏蔽效率仅为28 dB[36]。制备PI泡沫的技术（如冷冻干燥和异氰酸酯发泡）通常耗时且过程不稳定。目前关于制造高屏蔽效率和低反射率的轻质耐热EMI屏蔽材料的报道仍然较少。

在本研究中，通过真空辅助热压和喷涂技术制备了不对称的PI/CNT/Ag（PI/C/Ag）泡沫，该泡沫由热阻性PI/CNT分离泡沫（Tg约为401°C，T_5%约为533°C）和一侧高导电性Ag涂层组成。PI泡沫中的连续CNT形成了分离的CNT结构，使泡沫具有理想的阻抗匹配和出色的电磁波耗散能力。Ag层将电磁波反射到内部泡沫中，通过独特的“弱反射-吸收-强反射-再吸收”过程有效利用了分离PI/C泡沫的强吸收性能。含有1.0% wt% CNT的不对称PI/C/Ag泡沫在X波段的EMI屏蔽效率达到101.2 dB，反射效率（SE_R）为0.9 dB，最低反射率为0.07。这项工作为设计高耐热性、超低反射率的EMI屏蔽材料提供了新范例，具有在高端工业领域的应用潜力。

材料

3,3′,4,4′-苯酚四羧酸二酐（BTDA）、4-苯基乙基邻苯二甲酸酐（4-PEPA）和4,4′-二氨基二苯甲烷（MDA）从Forsman Scientific Technology Co., Ltd.（北京，中国）购买。2-甲基咪唑、甲醇（CH₃OH）、异喹啉和四氢呋喃（THF）从Titan Technology Co., Ltd.（上海，中国）购买。硅油（DC193）从Huayan International Biotechnology Co., Ltd.（珠海，中国）获得。碳纳米管（CNTs，NC7000）

形态与制备工艺

图1展示了不对称PI/C泡沫的制备过程。结果表明，CNTs被定位在预膨胀微球表面，然后通过真空辅助热压进行加工以制备PI/C泡沫。在此过程中，CNTs由于具有电子接受性而通过摩擦电作用吸附在PI表面，从而实现均匀分布[39]、[40]。随后，在一侧均匀涂覆Ag涂料

结论

本研究开发了一系列具有优异电磁波吸收和屏蔽性能的不对称PI/C/Ag泡沫，这些泡沫由分离的PI/C泡沫和导电Ag反射层组成。PI前体颗粒通过BTDA、MDA和4-PEPA通过聚酯铵盐中间体方法合成。前体与CNT混合后，通过摩擦电吸附、热粘合嵌入和真空辅助热压工艺制备出分离的PI/C泡沫

作者贡献声明

孙斌斌：撰写——初稿撰写、数据分析、概念构思。罗银福：方法学设计、实验研究、概念构思。夏双：软件操作、资源协调。陈阳：软件操作、实验研究。周胜泰：撰写——审稿与编辑、项目监督。邹华为：撰写——审稿与编辑、项目监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢四川大学分析测试中心的王辉女士提供扫描电子显微镜（SEM）观察服务。