由应力及溶剂引发的“开/关”式电磁干扰屏蔽功能金属化聚氨酯泡沫

《Journal of Materials Science & Technology》：Strain- and solvent-induced “on/off” electromagnetic interference shielding metallized polyurethane foams

智能电磁屏蔽材料设计及其动态响应研究。通过聚多巴胺界面层增强Ag涂层与聚氨酯基体的粘附性，采用压缩训练和溶剂肿胀实现微裂纹可控，实现微波屏蔽效能从4 dB到27 dB（压缩应变）和13 dB到40 dB（乙醇肿胀）的动态切换，为智能隐身和自适应电磁屏蔽提供新方案。

　　

杨明峰|雷晓娟|张凯|王明

中国西南大学化学与化学工程学院高级跨学科研究学院，重庆400715

摘要

能够适应动态电磁环境的智能电磁屏蔽材料的需求日益增加。在这项研究中，通过在金属化聚氨酯（PU）泡沫上施加压缩处理或溶剂膨胀，制备了一种具有可控微裂纹的导电层，并使用多巴胺（PDA）作为界面层以增强银涂层与PU基底之间的粘附力。压缩处理引入了可逆的接触-分离银微裂纹，使得电磁干扰屏蔽效果（EMI SE）在压缩应变下可以从约4 dB（关闭状态，裂纹分离）调节到约27 dB（开启状态，裂纹接触）。另一种方法是通过乙醇诱导的膨胀形成均匀微裂纹，实现从约40 dB的高屏蔽效果到约13 dB的低屏蔽效果的可逆切换。这些具有微裂纹控制的“开/关”微波屏蔽功能的金属化PU泡沫具有易于制备、双重响应性以及在复杂环境中实现智能隐身和自适应电磁屏蔽的强大潜力。

引言

电子设备的迅速普及导致了严重的电磁辐射污染，这不仅干扰了精密仪器和远距离信息传输，还对人类健康构成了严重威胁[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。为了应对日益复杂和动态的应用环境，开发能够对外部变化进行自适应、实时响应的智能电磁屏蔽开关至关重要[[9], [10], [11]]。

最近针对复杂电磁环境的研究取得了进展，开发出了能够响应多种刺激的智能EMI屏蔽开关，包括压缩[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]、拉伸[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]、加热[[27], [28], [29]]以及化学试剂[[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。值得注意的例子包括涂有石墨烯的聚氨酯（PU）泡沫，其屏蔽效果可调谐范围约为5 dB [[12]]，以及可压缩碳颗粒气凝胶，在0–75%的应变下电磁干扰屏蔽效果（EMI SE）可变化至1.4至27.6 dB [[17]]。基于磁性液态金属复合材料和嵌入式3D液态金属网络的可拉伸系统在0–400%的应变下分别实现了20.6至80.7 dB和41.5至81.6 dB的屏蔽效果调节[[19,24]]。化学响应型设计包括可注入水的夹层结构，其屏蔽效果可在15至35 dB之间调节[[33]]，以及极性溶剂响应型PANI/SA凝胶[[35]]。这些进展凸显了根据外部刺激动态控制EMI屏蔽能力的提升。

电磁屏蔽性能的调节主要受材料内部导电路径受刺激后变化的影响[[36], [37], [38], [39], [40]]。尽管在工程化导电网络方面付出了大量努力，但在实现快速响应、宽范围屏蔽效果调节和强大的环境适应性方面仍存在挑战[[41,42]]。一种有前景的策略是在导电表面有意引入微米或纳米级裂纹。这些裂纹使得导电状态可以在接触和分离之间可逆切换，从而对外部刺激做出快速而灵敏的响应[[43], [44], [45], [46], [47], [48]]。包含此类刺激响应性裂纹结构的导电泡沫在智能电子应用中越来越具有吸引力，包括自适应EMI屏蔽、压力传感和热管理[[49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58]]。

本文报道了一种新型的Ag/多巴胺（PDA）@PU泡沫，其具有动态微裂纹结构。这种设计与之前报道的基于泡沫的EMI切换系统有根本不同，后者通常具有静态且不可调节的结构。该泡沫是通过在PU泡沫骨架上涂覆PDA中间层，然后通过银氨还原工艺沉积银纳米颗粒（AgNPs）制备而成的。采用两种不同的方法引入可控微裂纹：压缩处理和溶剂膨胀。压缩处理在高达90%的应变下实现了可逆的“开/关”微波屏蔽效果，这是传统静态系统无法实现的。乙醇诱导的膨胀生成了均匀的微裂纹，在去除乙醇后会产生可切换的屏蔽行为，引入了一种化学响应型切换机制。因此，这种泡沫作为一种具有多刺激响应性的自适应电磁屏蔽材料具有巨大潜力。

材料

PU泡沫（25 ppi）由中国永嘉海绵管理部门提供。（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷（APTMS，97%）、盐酸多巴胺（98%）和三甲氧基氨基甲烷（99%）分别从重庆朝阳生物科技有限公司、上海大瑞精细化学品有限公司和重庆铁鑫化工有限公司购买。无水乙醇（>99.7%）、氨水（25%–28%）、硝酸银、酒石酸钾钠、葡萄糖和氢氧化钠则从其他供应商处采购。

Ag/PDA@PU泡沫的微观结构和形态

图1展示了PU泡沫和Ag/PDA@PU泡沫的微观结构和形态。PDA涂层和银镀层后，PU泡沫的多孔结构得到了很好的保持，泡沫颜色依次从白色（图1(b1)）变为棕色（补充材料中的图S1(a)），最终变为银灰色（图1(c1)）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，原始PU泡沫的光滑表面（图1(b2–b4)）在PDA修饰后变得明显粗糙（图S1），这增强了成核位点。

结论

本研究通过控制Ag涂层泡沫中的微裂纹形成，利用压缩处理和溶剂膨胀开发出了应变和溶剂响应型的“开/关”电磁屏蔽开关。未经处理的Ag₂/PDA@PU泡沫在10%–70%的压缩下保持稳定的屏蔽效果约为65 dB。经过处理后，分离的微裂纹在0%应变时将屏蔽效果降低到约4 dB，在90%应变时增加到约27 dB，实现了可逆的应变诱导切换。此外，还观察到了溶剂响应行为。

作者贡献声明

杨明峰：撰写——原始草稿、方法论、实验设计、数据整理。雷晓娟：方法论、实验设计。张凯：方法论、实验设计。王明：撰写——审稿与编辑、监督、实验设计、资金筹集、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研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52573308）的财政支持。