液态金属基电磁屏蔽材料:可裁切、低密度、高压缩、超回弹、高电导率

随着以5G为代表的通讯技术迅速发展,电子设备间的电磁干扰等问题日益严重。电磁屏蔽材料作为最为有效的解决方案,其本质是通过屏蔽材料与器件构筑完整的法拉第笼来实现电磁信号的衰减,接触界面间隙是造成电磁信号泄漏和屏蔽效能降级的主要原因之一。不同于传统固相填料所形成的固化导电网络,利用具有流动性和高导电性的室温镓基液态金属(LM)构建具有动态响应特性的导电网络有望解决接触界面处的电磁密封性问题。然而,LM的表面张力导致其在外力作用下迁移和泄露,严重影响LM的加工性和适用性。因此开发一种制备宏观稳定、可靠的LM基电磁屏蔽复合材料仍然存在挑战。
Tailorable, Lightweight and Superelastic Liquid Metal Monoliths for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding

Yadong Xu, Zhiqiang Lin, Krishnamoorthy Rajavel, Tao Zhao, Pengli Zhu, Yougen Hu*, Rong Sun*, Ching‑Ping Wong

Nano-Micro Letters (2022)14: 29

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00766-5

本文亮点

1. 利用一种限域热膨胀策略,实现超低含量下构筑连续的三维液态金属导电网络,制备一种液态金属基导电复合材料

2. 该材料表现出可裁切、低密度、高压缩率、超回弹、高承载力和高电导率等特性,同时具有优异的本征电磁屏蔽效能和界面电磁密封特性

内容简介

中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院孙蓉、胡友根团队利用可膨胀聚合物微球(EM)在限域空间中的热膨胀和微观界面自融合过程,原位构筑精细化LM导电网络,开发出具有可裁切、低密度、高压缩率、超回弹、高承载力和高电导率特性的类“金属气凝胶”LM基电磁屏蔽复合泡沫,研究人员利用EM热膨胀过程原位驱动LM的精细化有序分布,实现了LM导电网络在宏观稳定性和微观流动性之间的平衡;通过EM在限域中的微观界面自融合过程,同步实现导电网络构筑和EM/LM复合泡沫成型。EM/LM复合泡沫凭借其独特的内部气体填充蜂窝闭孔结构和高导电LM网络表现出轻质(0.104 g·cm⁻¹)、高压缩强度(3.43 MPa)、高压缩率与回弹性(90%压缩应变时回弹率>90%)、高导电(7891 S·m⁻¹)等特性。此外,在极低的LM含量下(2.3 vol%),EM/LM复合泡沫在8.2-40 GHz宽频范围内的平均电磁屏蔽效能(EMI SE)达到98.7 dB,并在实际近场屏蔽测试中显示出良好的电磁密封性。此外,该设计和制备方法具有良好的通用性,还可制备具有外磁场响应性的多功能EM/LM/Ni复合泡沫材料。本工作为新型稳定液态金属基电磁屏蔽材料的开发提供了一条清晰的路径,并为多功能液态金属复合材料的设计提供了一个设计原型。
图文导读

液态金属基电磁屏蔽材料的制备示意图和宏观特征演示

LM的高表面张力影响其加工性和使用可靠性。目前最常用的方法是利用LM表面所形成的Ga₂O₃氧化层来降低表面张力,提高其加工性。然而,钝化的氧化层往往需要重新被激活以保持LM自身的高导电特性。因此,避免氧化层在LM导电网络构筑过程中的负面影响是提高LM导电网络高效化的关键。本文将具有受热自膨胀特性的EM引入到LM中,提出一种限域热膨胀策略,在超低LM含量下制备一种具有三维连续导电网络的稳定LM基复合泡沫材料,该泡沫材料具有可定制、低密度、高强度、超弹性、高导电性和出色的电磁屏蔽性能。如图1所示,EM复合泡沫材料(EMm)和EM/LM复合泡沫材料(EM/LMm)的密度分别低至0.034 g cm⁻³和 0.104 g cm⁻³,却依然表现出优异的压缩强度和出色的压缩回弹性,可分别承受超过自身重量60,000倍和20,000倍的重物,可压缩率超过90%。此外,通过在LM中引入Ni粉,可以赋予材料额外的磁响应功能,在磁响应智能控制领域表现出良好的潜力。

图1. EM/LMm的制备示意图和宏观特征演示。(a) EM/LMm的制备流程和成型机制示意图。(b-c) 纯EMm和EM/LMm宏观特性展示:低密度、超弹性、可剪裁和高承载能力。(d) 不同复合泡沫材料的接触角测试。(e-f) 轻质EM/LM/Ni复合泡沫的磁性展示,以及水下磁控电开关演示。

II 液态金属基电磁屏蔽材料的结构表征

通过改变EM和LM的复合比例,能够实现EM/LM复合体系宏观粘度特性的改变,复合体系可以实现从固态粉末到橡皮泥特征的凝胶状,再到液体的转变。EM的引入显著降低了复合体系的密度 (1.62~0.63 g cm⁻³),同时复合体系的电导率仍高达1.06×10⁶ S m⁻¹。考虑到可回收环保需求,EM/LM复合物在稀盐酸溶液中能够实现EM和LM的漂浮与沉降自动分离回收。通过限域热膨胀烧结成型,EMm的横截面SEM图像显示其具有密集的闭孔结构,密度低至0.034 g cm⁻³。引入具有流动性的LM后,LM在EM的热膨胀驱动作用下,原位形成精细化的导电网络,EM/LMm的横截面SEM图像仍然呈现出紧密堆积的规则蜂窝状泡孔结构,表明LM不会阻碍EM的自融合成型。
图2. EM/LM混合物及EMm、EM/LMm复合材料结构表征。(a) 不同混合比例下 EM/LM的宏观物理特性,随着LM含量的增加,混合物从粉末状转变为液体状。(b) EM/LM混合物的可回收性验证,利用密度差异,在稀盐酸溶液中实现自动分离。(c) EMm的横截面SEM图(密度: 0.034 g cm⁻³)。(d) EM/LMm的横截面SEM图 (密度: 0.126 g cm⁻³)。(e) EM/LMm的横截面EDS元素分布图。
III 液态金属基电磁屏蔽材料的密度、电性能和机械性能

独特的内部填充气体蜂窝状闭孔结构赋予泡沫材料同时具有优异的压缩强度和回弹特性,独特充气闭孔结构表现出高效的应力消散过程。EMm的压缩性能测试表明,在95%应变下材料的压缩强度高达4.49 MPa,同时回弹恢复率超过90%。值得注意的是,同时具有如此高抗压强度和回弹性的泡沫材料,在以往研究中鲜有报道。通过在EMm中引入LM进一步赋予复合材料优异的导电性能。在2.46 vol%的LM含量下,EM/LMm的电导率达到7,891 S m⁻¹。相比传统的固相导电填料通过相互搭接所形成的导电网络,LM导电网络避免的填料之间的接触电阻,具有更高的导电效率。此外,由于LM的添加量,EM/LMm的密度仍处于0.104-0.268 g cm⁻³的较低范围内,这是先前所报道LM基导电复合材料的最低值。与此同时,EM/LMm在超过90%应变下仍具有3.43 MPa的压缩强度和88.5%的回弹恢复率。

图3. EMm和EM/LMm的密度、电性能和机械性能表征。(a) EMm的密度-孔隙率曲线图。(b) 不同应变下EMm(密度: 0.054 g cm⁻³)的压缩应力-应变曲线。(c) 不同LM含量下的EM/LMm导电性能测试图。(d) EM/LMm(密度: 0.126 g cm⁻³)在90%应变下的压缩应力-应变曲线。(e) 30%和70%的压缩应变下EM/LMm的横截面SEM图。(f) EM/LMm压缩动态回弹行为示意图。(g) 1000次压缩循环过程中,EM/LMm的机械-电性能测试曲线。

IV 液态金属基电磁屏蔽材料的电磁屏蔽性能

具有高导电特性的EM/LMm表现出优异本征电磁屏蔽效能(EMI SE),本文对材料在8.2-40 GHz的宽频率范围内进行材料本征电磁屏蔽性能测试。在厚度仅为1mm,LM含量为2.3 vol%时,EM/LMm在X波段(8.2-12.4 GHz)的平均EMI SE达到90.6 dB。EM/LMm的高EMI SE主要源于其密集连续的LM网络,当电磁波遇到LM导电骨架时,会引起入射波的散射并显着降低微波强度。相互连接的LM导电骨架结构可以通过散射、反射和吸收来衰减入射电磁波。众所周知,高频电磁波在介质中衰减得更快,因为它们的波长较短,导致波谷和波峰之间的距离更近。介质某一点附近的电场差异越大,电流越大,因此,随着频率的增加,介质中的电磁波能量衰减越多,EM/LMm的EMI SE增加至100 dB以上。与此同时,EM/LMm的电磁屏蔽机制数据显示材料的屏蔽机制仍以反射损耗为主,比例高达99%以上。

图4. 8.2-40 GHz频率范围内,不同LM含量下EM/LMm (厚度:1 mm)的电磁屏蔽性能及电磁屏蔽机制。(a-d) 不同频率范围内,不同LM含量下EM/LMm的电磁屏蔽性能。(e-h) 不同LM含量下EM/LMm的电磁屏蔽机制(不同频率范围内的平均SER、SEA和SET)。(i-l) 不同LM含量下EM/LMm的电磁屏蔽机制(不同频率范围内的平均R、A和T)。

液态金属基电磁屏蔽材料的近场屏蔽性能

在电磁屏蔽材料的实际应用中,往往需要屏蔽材料与其他组件形成完整的法拉第笼,来实现电磁波的屏蔽。其中,由于界面接触所引起的电磁密封性降低是屏蔽效能降级最主要的原因之一。然而,在以往的研究中,更多地关注屏蔽材料的本征EMI SE,而割裂了屏蔽材料与应用场景之间的关系。在这里,我们通过近场屏蔽效能(NF-SE)测试系统对不同特性的屏蔽材料进行了比较研究发现,屏蔽材料的电磁密封性对屏蔽材料屏蔽效能的提高至关重要。NF-SE测试模型基于嵌入微带天线发射系统和矩形金属框架的印刷电路板(PCB)。将测试样品放置并完全覆盖在金属框架的顶部,形成法拉第笼以隔离电磁波信号。通过对屏蔽体上方的电磁信号进行扫描和测量,以综合评估材料的近场屏蔽性能。通过测试铝板和EM/LMm在1-9 GHz频率范围内的平均NF-SE发现,铝板上方的磁场强度主要集中在周围区域,表明屏蔽材料周围存在磁场信号泄漏。EM/LMm显示出均匀且微弱的磁场强度分布,说明了其具有优异的NF-SE和电磁密封特性。进一步对屏蔽体的屏蔽机制进行分析,在微观尺度上,屏蔽材料和金属框架基材之间存在很多界面缝隙,可以等效为多个电阻电容的并联电路进行分析,降低电阻和增加电容都是改善NF-SE的有效措施。刚性的铝板的接触界面处显示存在大量未填充的微空隙,导致电阻增加和电容降低。而EM/LMm的可压缩特性和不平整的表面大大增加了界面之间的接触面积,减少了界面间隙的距离。同时,表面少量LM可以在锚定压力下进一步扩散和弥合界面间隙,这可以分别等效于电容的增加和电阻的降低。因此,EM/LMm在NF-SE测试中表现出优异的综合屏蔽性能。

图5. EM/LMm的近场屏蔽效能(NF-SE)以及EM/LMm界面电磁密封机制。(a-b) NF-SE测试原理,以及测试装置系统示意图。该测试模型主要是通过测试相关的电磁信号来测量屏蔽材料的NF-SE。(c) 空白参照模型、铝板屏蔽、EM/LMm屏蔽的NF-SE映射图 (不同位置下,所测频率范围1-9 GHz内,取最大屏蔽值)。(d-e) 铝板屏蔽模型示意图,及其界面光学图。(f-g) EM/LMm的屏蔽模型示意图,及其界面光学放大图。(h) EM/LMm界面电磁密封机制示意图。

作者简介

许亚东

本文第一作者

深圳先进电子材料国际创新研究院  助理研究员

主要研究领域

高性能电磁屏蔽材料及其在先进电子封装中的应用研究

主要研究成果

近年来,在Materials Horizons,Chemical Engineering Journal,ACS Applied Materials & Interfaces等杂志发表期刊论文10余篇,获得授权发明专利多项。

Email: yd.xu@siat.ac.cn

胡友根

本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院  副研究员

主要研究领域

导电功能复合材料及其在电磁屏蔽、电互连、柔性电子等电子封装领域的基础与应用研究。

主要研究成果

主持承担国家自然科学基金面上/青年科学基金、JW科技委、深圳市技术攻关/基础研究、企业委托等项目10余项;参与国家地方联合工程实验室、广东省科研创新团队、广东省重点实验室等项目。以第一作者/通讯作者在Nano Energy、Materials Horizons、Chemical Engineering Journal、Nano Research等学术期刊发表SCI论文30余篇,申请中国发明专利71件,PCT专利4件,授权专利30余件,担任Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等国际期刊审稿人以及国家自然科学基金通讯评议专家、Soft Science期刊青年编委等学术职务。

Email: yg.hu@siat.ac.cn

孙蓉

本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院  研究员

主要研究领域

聚合物基电子封装材料的应用与基础研究。

主要研究成果

作为负责人承担了国家重大专项封装材料子课题2项、国家自然基金面上项目、广东省中科院院省合作项目、以及深圳市战略新兴产业重大项目、企业横向项目等项目多项。基础研究方面,在电子封装材料领域以通讯作者在国内外权威学术期刊上发表论文500余篇(其中SCI论文380余篇),申请专利400余件(其中170余件已获授权),专业论著一部。产业化方面,已基本完成六种关键封装材料的制备与工艺验证,其中埋入式电容、电阻材料、临时键合胶材料与成套工艺已完成中试与产线验证,相关技术完成产业化转移,成立产业化公司。担任Advanced Materials, ACS Applied Materials & Interfaces等多个国际刊物的审稿人。

Email: rong.sun@siat.ac.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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